Apontamentos de Química Inorgânica: metais de transição da série 3d · ISPTEC · 2019
Apontamentos de Química Inorgânica, do curso de Engenharia Química no Instituto Superior Politécnico de Tecnologias e Ciências (ISPTEC), 2019. Docente: Prof. Júlio Kuende.
Diapositivos de Química Inorgânica sobre os metais de transição da série d: generalidades e estudo do titânio, vanádio, crómio, manganês e ferro (grupos 4 a 8).
Primeiras linhas de Apontamentos de Química Inorgânica: metais de transição da série 3d · ISPTEC · 2019
QUÍMICA INORGÂNICA METAIS DE TRANSIÇÃO (SÉRIE d) Prof Msc. Júlio Kuende 1Luanda, 2019 NÚCLEO DE QUÍMICA TÓPICOS ABORDADOS Generalidades. Grupo 4 – Titânio Grupo 5 – Vanádio Grupo 6 – Crómio Grupo 7 – Manganês Grupo 8 - Ferro 2 NÚCLEO DE QUÍMICA TÓPICOS ABORDADOS Grupo 9 – Cobalto Grupo 10 – Níquel Grupo 11 - Cobre 3 NÚCLEO DE QUÍMICA GENERALIDADES O termo “transição” é uma referência ao facto de…
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- Tipo
- Apontamentos
- Cadeira
- Química Inorgânica
- Curso
- Engenharia Química
- Universidade
- Instituto Superior Politécnico de Tecnologias e Ciências
- Ano
- 2019
- Docente
- Prof. Júlio Kuende
- Ficheiro
- PDF, 43 páginas
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NÚCLEO DE QUÍMICATÓPICOS ABORDADOS Grupo 9 – Cobalto Grupo 10 – Níquel Grupo 11 - Cobre3
NÚCLEO DE QUÍMICAGENERALIDADES O termo “transição” é uma referência ao facto de estar nomeio dos blocos de elementos representativos (o bloco s e obloco p). Os orbitais d do penúltimo nível de energia nosátomos destes elementos são os que recebem electrões e dãoorigem às três séries de metais de transição: 3d, 4d e 5d. Aquarta série, 6d, está incompleta.
NÚCLEO DE QUÍMICAGENERALIDADES Configuração electrónica1-10 1-2Em geral, a configuração electrónica destes elementos é (n-1)dns.Há diversas excepções devido a ligeira diferença de energia entre osorbitais (n-1)d e os orbitais ns. Além disso, umconjunto de orbitais semipreenchidos e completamente preenchidos sãorelativamente mais estáveis. A consequência deste factor reflecte-se nas5 1 4 2 10 1configurações do Cr (3d4sem vez de 3d4s) e do Cu (3d4s em9 2vez de 3d4s).5
NÚCLEO DE QUÍMICAGENERALIDADESA configuração electrónica do Zn, Cd e Hg é genericamente10 2representada por (n-1)dns. Não são considerados elementosde transição porque os seus orbitais permanecemcompletamente preenchidos no estado fundamental como nosseus estados de oxidação comuns.6
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NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 4 - TITÁNIOTi – é o menos denso dos metais de transição; é duro elustroso (tipo a prata). Sua elevada dureza aliada à sua baixa-3densidade (4,5 g.cm) permite que seja o metal de preferênciapara aeronaves militares e submarinos nucleares (onde aperformance sobrepõe-se ao preço). Também é aplicado naconcepção de quadros de bicicletas de alta performance e tacosde golf.9
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 4 - TITÁNIOExtracção:Embora seja o nono elemento mais abundadnte na crostaterrestre, o metal puro é difícil de ser extraído do seu mineralmais comum é o rutilo, TiO. A redução deste óxido de titánio2(IV) com o carbono resulta em carbeto metálico, em vez dometal.10
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 4 - TITÁNIOA única via prática de extração é o processo de Kroll (pesquisar mais sobreeste processo) em que, há uma conversão inicial do rutilo ao gás cloreto detitánio (IV), por aquecimento com carbono e cloro, acompanhada dalibertação de monóxido de carbono.O cloreto de titánio (IV) é então reduzido por acção de um metal maisactivo. Normalmente usa se o Mg (fundido) pelo seu baixo custo deprodução. Assim, o sólido Ti é obtido no fluído cloreto de magnésio.Escreva as equações das reacções atrás descritas!11
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 4 - TITÁNIOPrincipal composto de titânio: TiO.2Apesar do seu papel crucial na industria de defesa militar, grandeparte do TiO extraído anualmente tem uma aplicação mais inócua:2como pigmento em tintas.A purificação do óxido consiste na conversão do rutilo à cloreto detitânio (IV), tal como na síntese do metal; seguidamente, o cloreto éposto a reagir com dioxigénio a cerca de 1200ºC para produzir oóxido puro de titânio (um sólido branco) enquanto que o gás cloro éreciclado:escreva as equações das reacções atrás descritas! 12
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 4 - TITÁNIOAntes do uso do TiO nas tintas, o pigmento branco comum era o “chumbo2branco”, Pb (CO) (OH). Além da sua toxicidade, este perdia a sua cor nas3322atmosferas das cidades industrializadas originando o sulfureto de chumbo(II) preto. O óxido de titânio (IV) que é estável à descoloração ematmosferas poluídas, já substituiu por completo todo o chumbo branco. Alémda sua inocuidade, o TiO é o composto inorgânico branco ou incolor com o2maior índice de refracção. Consequentemente, serve para cobrir e escondermais eficientemente qualquer superfície colorida. Além de agente depigmentação branca, é usada também como aditivo para tornar as outrascores mais pálidas.13
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 5 – VANÁDIONenhum dos metais deste grupo tem uma aplicação dedestaque, embora o vanádio seja utilizado na fabricação de aço-vanádio (uma liga metálica que serve para fabricar diversasferramentas e lâminas).Este metal existe em quatro estados de oxidação diferentes: +5,+4, +3, e +2, que correspondem às configurações electrónicas1 2 3d0, d, d, e d.14
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 6 – CRÓMIOO crómio metálico tem sido utilizado como uma películaprotectora para as superfícies de ferro e aço; este metal não éinerte em si mesmo (ocorre a formação de uma película deóxido que confere a passividade química ao metal).O metal ocorre principalmente na forma do mineral cromita,FeCr O (de 96% das reservas mundiais encontram-se na24África do Sul); um mineral menos abundante é a crocoíta(PbCrO)415
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 6 – CRÓMIOCromatos e dicromatos:2-O ião amarelo cromato [CrO] existe somente em solução4aquosa (neutra ou alclalina) e o ião2-laranja dicromato CrO, somente em meio ácido, conforme2 7o equilíbrio:2- + 2-CrO+ H<==> CrO + H O4 (aq) (aq) 2 7 (aq) 2 (l)16
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 6 – CRÓMIOGrupo 6 – Cr => Cromatos e dicromatos:Em solução ácida diluída, o ião dicromato sofre hidrólise e forma o iãohidrogenocromato:2- -CrO+ HO<==> HCrO2 7 (aq) 2 (l) 4 (aq)Os cromatos do grupo 1 são solúveis, enquanto que os do grupo 2 sãoinsolúveis.O cromato de prata possui a cor vermelha de tijolo, diferente de qualqueroutro ião metálico, com excepção do tálio (I). A cor deste cromato torna-onum composto útil para a análise do ião prata.17
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 6 – CRÓMIOUma via consiste numa titulação por precipitação (ométodo de Mohr):+ -Ag+ Cl ==> AgCl(aq) (aq) (s, branco)+ 2-Ag+ CrO ==> Ag CrO(aq) 4 (aq) 2 4(s, vermelho-tijolo)O ião alaranjado dicromato é um agente oxidante forte:2- + - 3+ 0CrO+ H+ e==> Cr+ HOE= +1,33V2 7 (aq) (aq) (aq) 2 (l)Esta reacção é utilizada nos “bafómetros” para a detecção da ingestão dequantidades excessivasde álcool. Na reacção o etanol é oxidado ao ácido acético:+ -CHOH+ HO==> CHCOOH+ H+ e2 5 (aq) 2 (l) 3 (aq) (aq)18
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 6 – CRÓMIOGrupo 6 – Cr => Cromatos e dicromatos:Produção industrial de dicromato:A matéria-prima (FeCr O) depois de pulverizada é misturada com24carbonato de sódio (fundido) aquecida até cerca de 1000ºC em presença dear, resultando numa mistura de sólidos (cromato de sódio e óxido deferro(III) e gás carbónico. O gás produzido é recolhido para ser utilizadonuma etapa posterior. Os sólidos são separados em função da suasolubilidade em água (pelo processo de lixiviação), seguida de uma filtraçãoda solução.19
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 6 – CRÓMIOAo filtrado da etapa anterior adiciona-se o gás carbónico (atrás recolhido)resultando num equilíbrio com os sais dicromato de sódio (solubilizado) ehidrogenocarbonato de sódio (insolúvel). Aumentando-se a pressão sobre osistema (alta pressurização do gás carbónico) o equilíbrio desloca-sesobremaneira, conforme o Princípio de Le Chatêlier, resultando em altorendimento de dicromato de sódio.20
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 6 – CRÓMIOA solução aquosa de gás carbónico é utilizada como um meio barato dediminuir o pH em favor do ião dicromato no equilíbrio cromato –dicromato. O hidrogenocarbonato de sódio (muito pouco solúvel) é retiradodo sistema por filtração sob pressão, para evitar-se que o equilíbrio sejadeslocado para a esquerda. De seguida, o hidrogenocarbonato de sódioreage com o hidróxido de sódio produzindo o carbonato de sódio(reutilizado na primeira etapa do processo).21
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 6 – CRÓMIOGrupo 6 – Cr => Óxidos de crómioPara o titânio o único óxido significante é o TiO, e para o vanádio, o V O,225ambos são sólidos iónicos com pontos de fusão altos. O Cr tem dois óxidosimportantes: CrO e Cr O.32322
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 6 – CRÓMIOTal como o cromato de chumbo (II) (crómio amarelo) que é um importantepigmento amarelo, o óxido de crómio (III) é um pigmento verde comum.Desde 1862, este óxido tem sido utilizado como a fonte do pigmento verdeutilizado no verso das notas da moeda norte-americana. Sendoum pigmento um mineral e não um corante orgânico, a tonalidade verde nãodesvanece, nem é afectada por ácidos, bases ou mesmo agentes redutores ouoxidantes.23
NÚCLEO DE QUÍMICAGrupo 7 - ManganêsGrupo 7 – MnO manganês o terceiro metal de transição mais abundante depois do ferro edo titânio. Diferente do crómio, ocorre principalmente na forma do mineralsilicato braunita, Mn SiO, que contém Mn(II) e Mn(III). O Mn é um712aditivo importante na fabricação certos tipos de aço.24
NÚCLEO DE QUÍMICAGrupo 7 - ManganêsPermanganatosKMnO um sólido violeta-preto, é o composto de manganês mais4conhecido, com o nox +7. Este ião é um oxidante muito forte, e sobcondições ácidas, é reduzudio ao ião incolor Mn(II). Por exemplo, com operoxido de hidrogénio as duas semi-reacções são as seguintes:- + - 2+MnO+ H+e==>Mn + H O4 (aq) (aq) (aq) 2 (l)+ -HO==> O+ H+e2 2(aq) 2(g)25
NÚCLEO DE QUÍMICAGrupo 7 - ManganêsEm solução básica, com agentes redutores fracos (como o ião sulfito) ocorrea redução ao ião manganato (verde):- - 2-MnO+ e==> MnO4 (aq) 4 (aq)2- - 2- -SO+ OH==> SO+ HO+ e3 (aq) (aq) 4 (aq) 2 (l)O teste de presença do ião manganês (II) consiste numa reacção redox como ião bismutato, que é um oxidante muito mais forte do que o permanganato,em meio ácido e frio:2+ - + -Mn+HO==> MnO+ H+ e(aq) 2 (l) 4 (aq) (aq)- + - 3+BiO+ H+ e==> Bi + H O3 (aq) (aq) (aq) 2 (l)26
NÚCLEO DE QUÍMICAGrupo 7 - ManganêsÓxidos de manganês:É o metal de transição da série 3d com o maior intervalo de óxidos,que incluem o Mn O, MnO, Mn O, Mn O e o MnO. Este2722334intervalo em propriedades varia do acídico Mn O ao básico MnO.27Destes, os óxidos de interesse particular são o Mn O, o MnO e o272Mn O34.O Mn O é um líquido castanho esverdeado à temperatura ambiente;27é um oxidante forte e decompõe-se explosivamente ao mais estávelóxido de manganês (IV):Mn O ==> MnO + O27(l)2(s)2(g) 27
NÚCLEO DE QUÍMICAGrupo 7 - ManganêsGrupo 7 – Mn => Óxidos de manganês:O Mn O é um líquido castanho esverdeado à temperatura ambiente; é um27oxidante forte e decompõe-se explosivamente ao mais estável óxido demanganês (IV):Mn O ==>MnO +O27(l)2(s)2(g)O MnO é um sólido cinzento escuro insolúvel; é o único composto comum2de Mn(IV). É um oxidante forte: liberta o gás cloro do ácido clorídricoconcentrado e, simultaneamente, é reduzido ao sal solúvel cloreto demanganês (II):escrever a equação química da reacção descrita.28
NÚCLEO DE QUÍMICAGrupo 7 - ManganêsEste sólido é o componente-chave das pilhas alcalinas. A célula consistenum envoltório de zinco (o ánodo) com uma haste no centro como cátodo.Esta haste é uma mistura de grafite (bom condutor eléctrico) e óxido demanganês (IV) comprimidos. O electrólito é uma solução de hidróxido depotássio. Na reacção da célula, o sólido óxido de manganês (IV) é reduzidopela água ao sólido óxido hidróxido MnO(OH), ao passo que o zincometálico é oxidado ao sólido hidróxido de zinco, pelos iões hidroxilosprovenientes da redução:escrever as semi-equações do processo descrito.29
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 8 - FERROAcredita-se que o cerne do planeta terra é constituído principalmente poreste metal. A sua omnipresença no dia-a-dia da humanidade deve-se adiversos factores:1 – O ferro é o segundo metal mais abundante na crosta terrestre, e depósitosconcentrados de minerais de ferro existem em muitas localidades, tornandofácil à sua exploração;2 – O processamento termoquímico do seu mineral mais comum é fácil ebarato;3 – É um metal maleável e dúctil, ao passo que muitos outros sãorelativamente quebradiços;30
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 8 - FERRO4 – O seu ponto de fusão (1535ºC) é suficientemente baixo para permitir oseu fácil manuseamento;5 – Ao ser-lhe adicionado pequenas quantidades de outros elementos,obtêm-se ligas que apresentam a combinação exactamente requerida deforça, dureza, ou ductilidade para fins específicos.Produção industrial do ferro (método do alto forno): pesquisar individualmente!31
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 8 - FERROO processo de enferrujamento:Trata-se de uma reflexão da equação de Nernst, que estabelece adependência do potencial de uma célula em função da concentração (nestecaso, a concentração de oxigénio dissolvido). Numa superfície de ferro,aquele ponto em que há maior concentração de oxigénio, o elemento éreduzido ao ião hidroxilo:O metal funciona como um fio condutor ligado a uma bateria, transferindoos electrões a partir do ponto da superfície que possui uma menorconcentração em oxigénio, um ponto em que o ferro metálico é oxidado aiões ferro (II):32
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPOS 8, - FERRO, COBALTO E NÍQUELAmbos difundem-se pela solução, e quando chocam-se, forma-se ohidróxido insolúvel de ferro (II):Grupo 9 – CoO Co é branco azulado, duro, e magnético. O metal em si manifestapassividade química. Os estados de oxidação mais comum são +2 e +3, esteúltimo sendo o estado “normal” para os compostos simples de cobalto. Osseus compostos são maioritariamente complexos.Grupo 10 – NiO Ni é um metal prateado branco que é praticamente passivo do ponto devista químico; de facto, a niquelagem é utilizada para proteger o ferro. Oúnico nox comum do Ni é o +2. 33
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 10 - NÍQUELExtracçãoUm dos processos de obtenção industrial do Ni é o processo deMond, em que se utiliza uma reacção reversível:34
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 11 - COBREÉ um dos dois metais amarelados comuns (o Au sendo o outro), embora umafina película de Cu O quase sempre confere ao Cu a tonalidade2avermelhada.ExtracçãoO mineral mais comuns de cobre é o composto CuFeS (calcopirite ou pirite2de cobre). Um mineral mais raro ainda é a preciosa pedra azul turquesa,CuAl (PO) (OH).4H O. A extracção deste metal a partir do mineral64482sulfureto pode ser feita por um processo térmico (pirometalurgia)ou um processo aquoso (hidrometalurgia).35
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 11 - COBRENo processo pirometalúrgico, o mineral concentrado é aquecido (umprocesso designado por torrefação) numa atmosfera limitada de ar. Estareacção decompõe o sulfureto misto resultando no sólido óxido de ferro (III)e no líquido sulfureto de cobre (I), liberando o anidrido sulfuroso. Deseguida, adiciona-se areia à mistura fundida, convertendo o óxido de ferro(III) na escória líquida Fe (SiO). A escória líquida é decantado, e233novamente, adiciona-se ar. Este ar faz com que o sulfureto seja oxidado aoanidrido sulfuroso e simultaneamente o cobre (I) é convertido ao sólidooxido de cobre (I).36
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 11 - COBREProcede-se à uma supressão contínua do ar até que cerca de 2/3 de sulfuretode cobre (I) seja oxidado. Finalmente, a mistura do líquido sulfureto decobre (I) e do sólido óxido de cobre (I) num processo redox originam ometal fundido e o anidrido sulfuroso:escrever as equações químicas acertadas das reacções descritas noprocesso.37
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 11 - COBRENo processo hidrometalúrgico, a pirite de cobre (CuFeS) é oxidada pelo2oxigénio do ar numa suspensão ácida (solução aquosa de ácido sulfúrico)formando uma solução de sulfato de cobre (II), que contém também ossólidos enxofre, e óxido de ferro (III).Assim, nesse processo, o enxofre é liberado nas formas de ião sulfato eenxofre elementar em vez de ser na forma de anidrido sulfuroso comoocorre no processo pirometalúrgico. O cobre metálico é finalmente obtidopor electrólise, e o oxigénio resultante dessa electrólise pode ser aproveitadopara a primeira etapa do processo:escrever as equações químicas acertadas das reacções descritas noprocesso.38
NÚCLEO DE QUÍMICAGRUPO 11 - COBREO cobre puro é o metal com a maior condutividade térmicametálica. Pelo que é utilizado na fabricação deelectrodomésticos para o cozimento de alimentos. É também omelhor condutor eléctrico, perdendo apenas para a prata, daí asua grande aplicação nas instalações eléctricas.39
NÚCLEO DE QUÍMICARESUMO GERALEsquemas-resumos de reacções dos elementos:40
NÚCLEO DE QUÍMICARESUMO GERALEsquemas-resumos de reacções dos elementos:41
NÚCLEO DE QUÍMICARESUMO GERALEsquemas-resumos de reacções dos elementos:42
NÚCLEO DE QUÍMICARESUMO GERALEsquemas-resumos de reacções dos elementos:43