g - Cursos de Extensão da USP

QUÍMICA
A Ciência Central
9ª Edição
9
Capítulo 22
Química dos nãonão-metais
David P. White
© 2005 by Pearson Education
Capítulo 22
Conceitos gerais:
tendencias periódicas e
reações químicas
• Dividimos a tabela periódica em metais, não-metais e metalóides.
• O caráter
át metálico
táli aumenta
t para baixo
b i em um grupo e ao longo
l
do
d
período.
• O elemento mais metálico está localizado no lado inferior esquerdo
da tabela periódica.
• Os metalóides ficam em uma diagonal do B para o At.
At
• Com exceção do H, os não-metais são encontrados no lado
superior
supe
o ddireito
e o dda tabela
be periódica.
pe ód c .
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Capítulo 22
Conceitos gerais:
tendencias periódicas e
reações químicas
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Capítulo 22
Conceitos gerais:
tendencias periódicas e
reações químicas
• A eletronegatividade é importante quando determinamos se um
elemento é um metal: quanto menor a eletronegatividade
eletronegatividade, mais alto
é o caráter metálico.
• Os compostos formados entre não
não-metais
metais tendem a ser
moleculares.
• Ao descermos na tabela pperiódica as ligações
g ç
variam.
• Do terceiro período para a frente existem orbitais d disponíveis que
podem participar de ligações.
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Capítulo 22
Conceitos gerais:
tendencias periódicas e
reações químicas
• O primeiro membro de um grupo pode formar ligações π mais
facilmente do que os membros subseqüentes.
subseqüentes
• O Si é bem maior do que o C e o orbital 3p é bem maior do que o
orbital 2p, logo, a superposição entre orbitais 3p para formar uma
ligação π3p é significativamente pior do que para uma ligação π2p.
• Já qque a ligação
g ç π Si-Si é bem mais fraca do qque a ligação
g ç π C-C,, o
Si tende a formar ligações σ.
• Exemplo: o CO2 é um gás, o SiO2 é uma rede sólida.
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Capítulo 22
Conceitos gerais:
tendencias periódicas e
reações químicas
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Capítulo 22
Conceitos gerais:
tendencias periódicas e
reações químicas
Reações químicas
• Neste capítulo, focaremos nas reações envolvendo O2 (oxidação ou
combustão) e H2O (especialmente transferência de prótons).
• As
A reações
õ dde combustão
b ã normalmente
l
formam
f
H2O ((com
compostos contendo H), CO ou CO2 (compostos contendo C), e N2
ou NO (com compostos contendo N).
N)
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Capítulo 22
Conceitos gerais:
tendencias periódicas e
reações químicas
Reações químicas
• Á
Água, nitrogênio e CO2 são termodinamicamente estáveis, com
grandes energias de ligação para as ligações H-O, N≡N, e C=O.
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Capítulo 22
Hidrogênio
g
Isótopos do hidrogênio
• Existem três isótopos para o hidrogênio: Prótio 11H, deutério 21H, e
trítio 31H.
H
• O deutério (D) é cerca de 0,0156 % da abundância natural do H.
• O trítio (T) é radioativo com uma meia-vida
meia vida de 12,3
12 3 anos.
anos
• O deutério e o trítio são substituídos por H em compostos para
fornecer um marcador molecular.
molecular Esses compostos são marcados,
marcados
por exemplo D2O.
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Capítulo 22
Hidrogênio
g
Isótopos do hidrogênio
• Deuteração (substituição de H por D) resulta em variações
cinéticas nas reações (efeito isótopo cinético).
cinético)
Propriedades de hidrogênio
• O hidrogênio é único.
• O hid
hidrogênio
ê i tem uma configuração
fi
ã eletrônica
l ô i 1s
1 1, logo,
l
ele
l é
colocado acima do Li na tabela periódica.
• Entretanto,
E t t t o H é significativamente
i ifi ti
t menos reativo
ti do
d que os
metais alcalinos.
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Capítulo 22
Hidrogênio
g
Propriedades do hidrogênio
• O hidrogênio pode ganhar um elétron para formar H-, o qual tem a
configuração eletrônica do He.
He Conseqüentemente,
Conseqüentemente o H poderia ser
colocado acima dos halogênios.
• Entretanto, a afinidade eletrônica do H é mais baixa do que
qualquer halogênio.
• O hidrogênio
g
elementar é um gás
g incolor e inodoro na temperatura
p
ambiente.
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Capítulo 22
Hidrogênio
g
Propriedades do hidrogênio
• Já que o H2 é apolar e tem apenas dois elétrons, as forças
intermoleculares são fracas (ponto de ebulição -253
253°C
C, ponto de
fusão -259°C).
• A entalpia de ligação H
H-H
H é alta (436 kJ/mol).
kJ/mol) Logo, as reações
com hidrogênio são lentas e é necessário um catalisador.
• Q
Quando o hidrogênio
g
reage
g com o ar,, ocorre uma explosão
p
(Hindenburg explodiu em 1937):
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) ΔH = -571,7 kJ
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Capítulo 22
Hidrogênio
g
Preparação do hidrogênio
• No laboratório, o hidrogênio geralmente é preparado pela redução
de um ácido.
ácido
• O Zn é adicionado à uma solução ácida e forma-se bolhas de
hidrogênio.
hidrogênio
• Hidrogênio borbulha para fora da solução e é coletado em um
frasco.
• O frasco de coleta geralmente é preenchido com água, então o
volume de hidrogênio coletado é o volume de água deslocado.
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Capítulo 22
Hidrogênio
g
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Capítulo 22
Hidrogênio
g
Preparação do hidrogênio
• Em grandes quantidades, o hidrogênio pode ser preparado pela
redução do metano na presença de vapor à 1100
1100°C:
C:
CH4(g) + H2O(g) → CO(g) + 3H2(g)
CO(g) + H2O(g) → CO2(g) + H2(g)
Utili ação do hidrogênio
Utilização
• O hidrogênio é usado para a produção de amônia e para hidrogenar
ól
óleos
vegetais
t i para a fabricação
f b i ã de
d margarina
i e gordura.
d
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Capítulo 22
Hidrogênio
g
Utilização do hidrogênio
• O hidrogênio é usado para a fabricação de metanol:
CO( ) + 2H2(g)
CO(g)
( ) → CH3OH(g)
OH( )
Compostos binários de hidrogênio
• Três tipos de compostos binários de hidrogênio são formados:
– híbridos iônicos (por exemplo, LiH, preparado a partir de
metais
t i e H);
H)
– híbridos metálicos (por exemplo, TiH2, preparado a partir de
metais de transição e H) e
– híbridos moleculares (por exemplo, CH4, preparado a partir de
não-metais
não
metais e metalóides e H).
H)
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Capítulo 22
Grupo
p 8A: gases
g
nobres
• Os gases nobres são muito pouco reativos.
• Todos os elementos têm altas energias de ionização.
ionização
• O He é o gás nobre mais importante, uma vez que o hélio líquido é
usado como um líquido refrigerante.
refrigerante
Compostos de gás nobre
• Os gases nobres mais pesados reagem mais facilmente que os mais
leves.
leves
• Os compostos mais comuns de gases nobres são os fluoretos de
xenônio
xenônio.
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Capítulo 22
Grupo
p 8A: gases
g
nobres
Compostos de gás nobre
• Os fluoretos de xenônio têm o Xe nos estados de oxidação +2 a +8.
• Na
N presença dde áágua, os fl
fluoretos
t de
d xenônio
ô i formam
f
oxifluoretos:
ifl
t
XeF6(s) + H2O(l) → XeOF4(l) + 2HF
X F6(s)
XeF
( ) + 3H2O(l) → XeO
X O3(aq)
( ) + 6HF
• O único outro composto de gás nobre conhecido é o KrF2, que se
decompõe à -10°C.
10°C
• Os fluoretos de xenônio são mais estáveis do que os óxidos e do
que os oxifluoretos
oxifluoretos.
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Capítulo 22
Grupo
p 7A: halogênios
g
• Configurações eletrônicas mais externas: ns2np6.
• Todos
T d os halogênios
h l ê i têm
tê grandes
d afinidades
fi id d eletrônicas.
l tô i
• O estado de oxidação mais comum é -1, mas os estados de
oxidação +1,
+1 +3,
+3 +5 e +7 são possíveis.
possíveis
• Os halogênios são bons agentes de oxidação.
• Todos os isótopos
p do At são radioativos.
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Capítulo 22
Grupo
p 7A: halogênios
g
Propriedades
p
e preparação
p p
ç dos halogênios
g
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Capítulo 22
Grupo
p 7A: halogênios
g
Propriedades
p
e preparação
p p
ç dos halogênios
g
• As propriedades dos halogênios variam regularmente com o seu
número atômico.
• Cada halogênio é o elemento mais eletronegativo em seu período.
• A entalpia
p de ligação
g ç do F2 é baixa.
• Conseqüentemente, o flúor é muito reativo.
• O ppotencial de redução
ç do flúor é muito alto.
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Capítulo 22
Grupo
p 7A: halogênios
g
Propriedades e preparação dos halogênios
• A água é oxidada mais facilmente do que o flúor, logo o F2 não
pode ser preparado por eletrólise de uma solução de sal.
• O Cl2 é produzido por eletrólise do NaCl(aq) ou do NaCl(aq).
Utilização dos halogênios
• Os CFCs são usados como refrigerantes.
• Os fluorocarbonos são usados como lubrificantes e plásticos
(teflon).
• O cloro é usado em plásticos (PVC), no dicloroetano e em outros
reagentes químicos orgânicos,
orgânicos na indústria têxtil e de papel.
papel
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Capítulo 22
Grupo
p 7A: halogênios
g
Utilização dos halogênios
• O NaOCl é o ingrediente ativo dos alvejantes.
• ON
NaBr
B é usado
d em ffotografia.
t
fi
O haletos
Os
h l t de
d hidrogênio
hid
ê i
• O HF tem um alto ponto de ebulição em virtude das fortes ligações
d H no lí
de
líquido.
id
• A facilidade de oxidação aumenta F- > Cl- > Br- > I-.
• Os haletos de hidrogênio podem ser formados pela hidrólise de
haletos moleculares:
S B 4(s)
SeBr
( ) + 3H2O(l) → H2SeO
S O3(aq)
( ) + 4HB
4HBr(aq).
( )
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Capítulo 22
Grupo
p 7A: halogênios
g
Os haletos de hidrogênio
• O HF reage com silicatos (e deve ser armazenado em recipientes
de plástico):
SiO2(s) + 6HF(aq) → H2SiF6(aq) + 2H2O(l)
• O NaI e o NaBr podem ser oxidados pela adição de ácido sulfúrico.
sulfúrico
• Após a adição do ácido, o I2 violeta e o Br2 amarelo podem ser
claramente vistos.
vistos
• A maioria dos haletos de hidrogênio são preparados pelo tratameto
do sal
s co
com ácido
c do sulfúrico:
su ú co:
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Capítulo 22
Grupo
p 7A: halogênios
g
Os haletos de hidrogênio
CaF2(s) + H2SO4(l) → 2HF(g) + CaSO4(s)
N Cl( ) + H2SO4(l) → HCl(g)
NaCl(s)
HCl( ) + NaHSO
N HSO4(s)
()
• Essas reações não podem ser usadas para o preparo de HBr ou HI.
Compostos Inter-halogênios
• Moléculas diatômicas contendo dois halogênios diferentes são
chamadas de compostos inter-halogênios.
• Os compostos inter-halogênios têm o halogênio mais
eletronegativo no estado de oxidação -1 e o outro no estado de
oxidação +1.
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Capítulo 22
Grupo
p 7A: halogênios
g
C
Compostos
t iinter-halogênios
t h l ê i
• Existem também compostos inter-halogênios poliatômicos.
• A maioria dos inter-halogênios
inter halogênios poliatômicos tem Cl,
Cl Br,
Br ou I como
o átomo central circundado por 3, 5 ou 7 átomos de F.
• Q
Quanto maior é o halogênio,
g
, mais compostos
p
inter-halogênios
g
ele
pode formar (por exemplo, ClF5 e BrF7 não são conhecidos).
• O composto ICl3 é único. Nenhum outro halogênio é grande o
suficiente para acomodar 3 átomos de Cl.
Cl
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Capítulo 22
Grupo
p 7A: halogênios
g
Oxiácidos e oxiânions
• O flúor forma apenas um oxiácido: HFO. O oxigênio está no
estado de oxidação zero.
• A força do ácido aumenta à medida que o estado de oxidação do
h l ê i aumenta.
halogênio
• Todos são agentes de oxidação fortes.
• Todos
d são iinstáveis
á i e se decompõem
d
facilmente.
f il
• Os oxiânions são mais estáveis do que os oxiácidos.
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Capítulo 22
Grupo
p 7A: halogênios
g
Oxiácidos e oxiânions
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Capítulo 22
Grupo
p 7A: halogênios
g
O iá id e oxiânions
Oxiácidos
iâ i
• Os sais de hipoclorito são usados em alvejantes e desinfetantes.
• Os percloratos são particularmente instáveis na presença de
material orgânico.
• O perclorato
l t de
d amônio
ô i é um potente
t t oxidante.
id t
• Na presença de alumínio em pó, o NH4ClO3 é usado para o
lançamento de ônibus espaciais.
espaciais
• Cada lançamento utiliza 700 toneladas de clorato de amônio.
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Capítulo 22
Grupo
p 7A: halogênios
g
O iá id e oxiânions
Oxiácidos
iâ i
• Os ácidos periódico (HIO4) e paraperiódico (H5IO6) têm o iodo no
estado
t d de
d oxidação
id ã +7.
+7
• O ácido periódico é um ácido forte, o ácido paraperiódico é um
ácido fraco (Ka1 = 2,8
2 8 × 10-22, Ka2 = 4,9
4 9 × 10-99).
)
• O grande átomo de iodo permite 6 átomos de oxigênio à sua volta.
• Os halogênios menores não conseguem formar esse tipo de
composto.
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Capítulo 22
Oxigênio
g
Propriedades do oxigênio
• O oxigênio tem dois alótropos: O2 e O3.
• O O2 é um gás
á incolor
i l e inodoro
i d
na temperatura
t
t
ambiente.
bi t
• A configuração eletrônica é [He]2s22p4, o que significa que o
estado de oxidação dominante é -2.
2
• A ligação O=O é forte (entalpia de ligação 495 kJ/mol).
Preparação do oxigênio
• Comercialmente: obtido por destilação fracionária do ar. (o ponto
de ebulição normal do O2 é -183°C e do N2 é -196°C.)
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Capítulo 22
Oxigênio
g
P
Preparação
ã d
do oxigênio
i ê i
• A preparação do oxigênio no laboratório é a decomposição
catalítica
t líti do
d KClO3 na presença de
d MnO
M O2 :
2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g).
• O oxigênio
i ê i atmosférico
t
fé i é reabastecido
b t id pela
l fotossíntese
f t í t
(processo
(
nas plantas onde CO2 é convertido em O2 na presença da luz solar).
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Capítulo 22
Oxigênio
g
U
Usos
d
do oxigênio
i ê i
• Amplamente utilizado como um agente oxidante (Por exemplo, na
i dú t i de
indústria
d aço para a remoção
ã de
d impurezas.)
i
)
• O oxigênio é usado na medicina.
• Ele
El é usado
d com acetileno,
til
C2H2 para a solda
ld de
d oxiacetileno:
i til
2C2H2(g) + 5O2(g) → 4CO2(g) + 2H2O(g)
Ozônio
• Gás venenoso, azul claro.
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Capítulo 22
Oxigênio
g
O ô i
Ozônio
• O ozônio se decompõe para formar oxigênio:
O3(g) → O2(g) + O(g), ΔH° = 107 kJ.
• O ozônio é um agente oxidante mais forte do que o oxigênio:
O3(g) + 2H+(aq) + 2e- → O2(g) + H2O(l), E° = 2,07 V
O2(g) + 4H+(aq) + 4e- → 2H2O(l), E° = 1,23 V.
• O ozônio pode ser preparado pela passagem de uma corrente
elétrica através do O2 seco:
3O2(g) → 2O3(g)
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Capítulo 22
Oxigênio
g
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Capítulo 22
Oxigênio
g
Óxidos
•
•
•
•
•
•
O oxigênio é o segundo elemento mais eletronegativo.
Óxidos: composto com oxigênio no estado de oxidação -2.
2
Óxidos de não-metais: covalentes.
Óxidos metálicos: iônicos.
iônicos
Óxidos básicos: óxidos que reagem com água para formar bases.
Exemplo:
p BaO em água
g o qqual pproduz Ba(OH)
( )2.
BaO(s) + H2O(l) → Ba(OH)2(aq)
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Capítulo 22
Oxigênio
g
Peróxidos e superóxidos
• Peróxidos: têm uma ligação O-O e O no estado de oxidação -1.
– O peróxido
ó id dde hidrogênio
hid ê i é instável
i tá l e se decompõe
d
õ em água
á
e
oxigênio:
2H2O2(l) → 2H2O(l) + O2(g),
(g) ΔH = -196,0
196 0 kJ.
kJ
– O oxigênio produzido matará bactérias.
– Os peróxidos são importantes na bioquímica: ele é produzido
quando o O2 é metabolizado.
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Capítulo 22
Oxigênio
g
Peróxidos e superóxidos
• Superóxidos: têm uma ligação O-) e O em um estado de oxidação ½ (o íon superóxido é O2-).
)
– Normalmente se formam com metais ativos (KO2, RbO2 e
CsO2).
)
• O desproporcionamento ocorre quando um elemento é
simultaneamente oxidado e reduzido:
2H+(aq) + H2O2(aq) + 2e- → 2H2O(l), E° = 1,78 V
O2(g) + 2H+(aq) + 2ee- → 2H2O2(aq), E° = 0,68 V
• Desproporcionamento: 2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g), E° =
1,10 V.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
6A: S
S, Se
Se, Te
Te, e Po
C
Características
t í ti
gerais
i dos
d elementos
l
t do
d grupo 6a
6
• Configuração eletrônica externa: ns2np4.
• Estado de oxidação dominante: -2 (ns2np6).
• Outros estados de oxidação observados: até +6 (por exemplo, SF6,
S F6, TeF
SeF
T F6).
)
• Há uma variação regular nas propriedades com o aumento do
número atômico.
atômico
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
6A: S
S, Se
Se, Te
Te, e Po
C
Características
t í ti
gerais
i dos
d elementos
l
t do
d grupo 6a
6
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
6A: S
S, Se
Se, Te
Te, e Po
Ocorrências e preparação de S
S, Se e Te
• Processo de Frasch: recuperação de depósitos subterrâneos de S.
• A água superaquecida é forçada para dentro do depósito para
fundir o S.
• O ar comprimido
p
é então injetado
j
dentro do depósito
p
de enxofre,, o
que força o S(l) para a superfície.
• Ocorrência de S: vastamente como minerais de sulfato e sulfeto.
• Ocorrência de Se e Te: minerais raros (Cu2Se, PbSe, Ag2Se, Cu2Te,
PbTe, Ag2Te, e Au2Te) e constituintes secundários em minerais de
sulfeto.
sulfeto
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
6A: S
S, Se
Se, Te
Te, e Po
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
6A: S
S, Se
Se, Te
Te, e Po
Propriedades e usos de enxofre,
enxofre selênio e telúrio
• O enxofre é amarelo, sem sabor e quase inodoro.
• O enxofre
f é insolúvel
i lú l em água.
á
• O enxofre existe como alótropos (anéis rômbicos de S8, enxofre
plástico).
plástico)
• O enxofre usado na fabricação de ácido sulfúrico e na vulcanização
da borracha.
borracha
• Tanto o Se como o Te formam cadeias helicoidais de átomos nos
c s s.
cristais.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
6A: S
S, Se
Se, Te
Te, e Po
Propriedades e usos de enxofre,
enxofre selênio e telúrio
• Existe algum compartilhamento de pares de elétrons entre as
cadeias.
• O Se é usado em células fotoelétricas, fotocopiadoras e medidores
de luz porque ele conduz eletricidade na presença de luz.
Óxidos, oxiácidos e oxiânions de enxofre
• O ácido sulfúrico é um poderoso agente de desidratação, ácido
forte e oxidante moderado.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
6A: S
S, Se
Se, Te
Te, e Po
Ó
Óxidos,
oxiácidos e oxiânions de enxofre
• O ácido sulfúrico remove a H2O do açúcar, deixando uma massa
preta
t de
d C.
C Produz-se
P d
vapor porque a reação
ã é muito
it exotérmica.
té i
• O SO2 é produzido pela reação entre ácido e um sal de sulfito:
2H+(aq) + SO322-(aq) → SO2(g) + H2O(l)
ou quando o S sofre combustão no ar.
• O SO2 é tóxico para fungos e é usado para esterilizar frutas secas.
secas
• O SO2 em água produz ácido sulfuroso, H2SO3.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
6A: S
S, Se
Se, Te
Te, e Po
Ó
Óxidos,
oxiácidos e oxiânions de enxofre
• O Na2SO3 e o NaHSO3 são usados como preservantes.
• Quando o enxofre queima no ar, são formados tanto SO2 (produto
principal) quanto SO3.
• A oxidação do SO2 a SO3 necessita de um catalisador
(normalmente V2O5 ou Pt).
• O SO3 é usado
d para produzir
d i H2SO4:
SO3(g) + H2SO4(l) → H2S2O7(l) [ácido polissulfúrico]
H2S2O7(l) + H2O(l) → 2H2SO4(l)
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
6A: S
S, Se
Se, Te
Te, e Po
Óxidos, oxiácidos e oxiânions de enxofre
• O ácido sulfúrico comercial é 98 % de H2SO4.
• Apenas o primeiro próton é removido do H2SO
estequiometricamente:
H2SO4(aq) → HSO4-(aq) + H(aq)
• Conseqüentemente, sais de sulfato (SO42-) e de bissulfato (HSO4-)
são importantes (“ácido seco” na limpeza de piscinas e banheiros).
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
6A: S
S, Se
Se, Te
Te, e Po
Óxidos, oxiácidos e oxiânions de enxofre
• O íon sulfato é o SO42- e o íon tiossulfato é o S2O32- (tio = um
átomo de O substituído por S):
2 (aq)
8SO3-(aq) + S8(s) → 8S2O32• O hipossulfito (usado em fotografia) é o Na2S2O3.5H2O.
– O filme fotográfico é uma mistura de cristais de AgBr em
gelatina.
– A exposição à luz faz com que o AgBr se decomponha em
prata.
– Quando o filme é suavemente reduzido (revelado) apenas os
íons Agg+ ppróximos à prata
p
formam uma imagem
g de pprata ppreta
metálica.
• O filme é tratado com hipossulfito para remover o AgBr não
exposto
exposto.
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Capítulo 22
Nitrogênio
g
P
Propriedades
i d d do
d nitrogênio
it
ê i
• Gás incolor, inodoro e sem gosto constituído de moléculas de N2.
• Não reativo por causa da forte ligação tripla.
• Exceção: a queima de Mg ou Li ao ar (78 % nitrogênio):
3Mg(s) + N2(g) → Mg3N2(s)
6Li(s) + N2(g) → 2Li3N(s)
• O N3- é uma base de Lewis forte (forma NH3 em água):
Mg3N2(s) + 6H2O(l) → 2NH3(aq) + 3Mg(OH)3(s)
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Capítulo 22
Nitrogênio
g
Propriedades
p
do nitrogênio
g
• Diversos estados de oxidação
comuns (de -3 a +5). Mais comum
+5, 0 e -3 (configuração eletrônica
[He]2s22p3).
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Capítulo 22
Nitrogênio
g
P
Preparação
ã e utilização
tili
ã d
do nitrogênio
it
ê i
• O N2 é produzido pela destilação fracionária do ar.
• O nitrogênio é usado como um gás inerte para excluir oxigênio de
alimentos acondicionados, fabricação de reagentes químicos,
fabricação de metais e produção de aparelhos eletrônicos.
eletrônicos
• O nitrogênio é fixado pela formação de NH3 (processo de Haber).
• O NH3 é convertido em outros químicos úteis (NO,
(NO NO2, nitritos e
nitratos).
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Capítulo 22
Nitrogênio
g
P
Preparação
ã e utilização
tili
ã d
do nitrogênio
it
ê i
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Capítulo 22
Nitrogênio
g
Compostos de nitrogênio com hidrogênio
• A amônia é um dos compostos de nitrogênio mais importantes.
• A amônia é um gás tóxico incolor com um aroma pungente.
pungente
• No laboratório, a amônia é produzida pela reação entre o NaOH e
um sal de amônio:
NH4Cl(aq) + NH3(aq) → NH3(g) + H2O(l) + NaCl(aq)
• A amônia é preparada comercialmente pelo processo de Haber.
Haber
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Capítulo 22
Nitrogênio
g
C
Compostos
t d
de nitrogênio
it
ê i com hidrogênio
hid
ê i
• A hidrazina, N2H4, contém uma ligação simples N-N.
• A hidrazina (venenosa) é preparada pela reação entre a amônia e o
hipoclorito:
2NH3(aq)
( ) + OCl-(aq)
( ) →N
N2H4(aq)
( ) + Cl-(aq)
( ) + H2O(l)
• O NH2Cl venenoso é um intermediário na reação (ele borbulha
para fora da solução quando amônia caseira e alvejante são
misturados).
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Capítulo 22
Nitrogênio
g
C
Compostos
t d
de nitrogênio
it
ê i com hidrogênio
hid
ê i
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Capítulo 22
Nitrogênio
g
Compostos
p
de nitrogênio
g
com hidrogênio
g
• A hidrazina pura é um líquido oleoso que explode quando
aquecido:
N2H4(l) + O2(g) → N2(g) + 2H2O(g) ΔH° = -534 kJ
Óxidos e oxiácidos do nitrogênio
• Três óxidos comuns: N2O (gás hilariante, usado como um
anestésico),
té i ) NO ((gás
á tóxico
tó i e incolor,
i l pode
d ser preparado
d através
t é
da redução do HNO3 pelo Cu) e NO2 (gás amarelado, constituinte
pprincipal
p da névoa, e venenoso).
)
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Capítulo 22
Nitrogênio
g
Ó id e oxiácidos
Óxidos
iá id do
d nitrogênio
it
ê i
• Preparação:
NH4NO3(s)
( ) → NO2(g)
( ) + 2H2O(g)
O( )
3Cu(g) + 2NO3-(aq) + 8H+(aq) → 3Cu2+(aq) + 2NO(g) + 4H2O(l)
4NH3(g) +5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g) (processo de Ostwald)
4HNO3(aq) → 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l) (na presença de luz)
• O processo de Ostwald é a rota comercial para o NO:
4NH3(g) +5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g) (processo de Ostwald)
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Capítulo 22
Nitrogênio
g
Óxidos e oxiácidos do
nitrogênio
it
ê i
• Ela ocorre em 3 etapas:
– oxidação da NH3 pelo oxigênio
para formar NO (normalmente é
usado
d um catalisador
t li d Pt);
Pt)
– oxidação do NO pelo oxigênio
para formar NO2 (o NO que não
reagiu é reciclado);
– NO2 é dissolvido em água para
formar ácido nítrico.
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Capítulo 22
Nitrogênio
g
Ó
Óxidos
e oxiácidos do nitrogênio
• O nitrogênio desproporciona-se na produção de ácido nítrico:
3NO2(g) + H2O(l) → 2H+(aq) + 2NO3-(aq) + NO(g)
• O NO é um neurotransmissor muito importante (faz com que os
músculos que recobram os vasos sanguíneos relaxem).
• Ácidos comuns: HNO3 (nítrico) e HNO2 (nitroso).
• O ácido nítrico é um ácido forte.
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Capítulo 22
Nitrogênio
g
Ó id e oxiácidos
Óxidos
iá id do
d nitrogênio
it
ê i
• O ácido nítrico concentrado oxidará a maior parte dos metais:
NO3-(aq) + 2H+(aq) + e- → NO2(g) + H2O(l), E° = 0,79 V
NO3-(aq) + 4H+(aq) + 3e- → NO2(g) + 2H2O(l), E° = 0,96V
• O ácido nítrico é usado para a fabricação de fertilizantes
(NH4NO3), remédios, plásticos e explosivos.
• O áácido
id nitroso
i
(fraco,
(f
Ka = 4,5
4 5 × 10-44) não
ã é estável
á le
desproporciona-se em NO e HNO3.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
5A: P
P, As
As, Sb
Sb, e Bi
C
Características
t í ti
gerais
i dos
d elementos
l
t do
d grupo 5A
• Configuração eletrônica do orbital mais externo ns2np3.
• Estado de oxidação mais comum -3. Outros estados de oxidação
comuns -1, +1, +3 e +5.
• A variação
i ã nas propriedades
i d d atômicas
tô i
é muito
it impressionante.
i
i
t
• As entalpias de ligação X-X não são confiáveis.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
5A: P
P, As
As, Sb
Sb, e Bi
Características gerais dos elementos do grupo 5A
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
5A: P
P, As
As, Sb
Sb, e Bi
Ocorrência, isolamento e propriedades do fósforo
• Existem dois alótropos do fósforo: vermelho e branco.
• O fósforo branco é altamente reativo (reage espontaneamente com
oxigênio ao ar).
• Conseqüentemente, o fósforo branco é armazenado na água.
• Se o fósforo branco é aquecido à 400°C na ausência de ar, ele se
converte em fósforo vermelho.
• O fósforo vermelho é o alótropo mais estável e normalmente não é
armazenado sob água.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
5A: P
P, As
As, Sb
Sb, e Bi
Haletos de fósforo
• O fósforo forma uma variedade de tri- e pentahaletos.
• O mais importante: PCl3 usado em sabão, detergente, plástico e na
produção de inseticida.
• Preparação de haletos de fósforo:
2P(s) + 3Cl2(g) → 2PCl3(l)
• Na presença de cloro em excesso:
PCl5(s)
PCl3(l) + Cl2(g)
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
5A: P
P, As
As, Sb
Sb, e Bi
H l t de
Haletos
d fósforo
fó f
• Exceção: uma vez que o F2 é um oxidante forte, obtemos
2P(s) + 5F2(g) → 2PCl5(g)
• Na presença de água a hidrólise ocorre facilmente:
PF3(g) + 3H2O(l) → H3PO4(aq) + 3HF(aq)
PCl5(l) + 4H2O(l) → H3PO4(aq) + 5HCl(aq)
Compostos oxi de fósforo
• Os compostos de fósforo contendo oxigênio são extremamente
importantes.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
5A: P
P, As
As, Sb
Sb, e Bi
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
5A: P
P, As
As, Sb
Sb, e Bi
Compostos oxi de fósforo
• O óxido de fósforo(III), P4O6 é preparado através da reação de
fósforo branco com ar.
• O óxido de fósforo(V), P4O10 é preparado através da reação de
fó f
fósforo
com excesso de
d oxigênio.
i ê i
• O óxido de fósforo(V), P4O10 é também preparado através da
oxidação do P4O6.
• No caso de ambos os óxidos de fósforo, os átomos de P ainda
adotam a estrutra tetraédrica.
tetraédrica (Isto é,
é os átomos de P se encontram
nos vértices de um tetraedro.)
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
5A: P
P, As
As, Sb
Sb, e Bi
Compostos oxi de fósforo
• O óxido de fósforo(III), P4O6 produz ácido fosforoso, H3PO3 em
água.
• O H3PO3 é um ácido diprótico fraco (o H ligado ao P não é ácido).
• O óxido de fósforo(V), P4O10 produz ácido fosfórico, H3PO4.
• O P4O10 é usado como um agente de secagem por causa de sua
afinidade
fi id d com a água.
á
• O ácido fosfórico é um dos ingredientes da Coca-Cola.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
5A: P
P, As
As, Sb
Sb, e Bi
Compostos oxi de fósforo
• Os ácidos fosfórico e fosforoso sofrem reações de condensação.
• O ácido fosfórico e seus sais são usados em detergentes (como
Na5P3O10) e fertilizantes (de rochas fosfáticas extraídas de minas).
• Os compostos de fósforo são importantes em sistemas biológicos
como o trifosfato de adenosina (ATP) que armazena energia nas
células.
células
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Capítulo 22
Carbono
Formas elementares do carbono
• O carbono constitui aproximadamente 0,027 % da crosta terrestre.
• É o principal
i i l constituinte
tit i t da
d matéria
té i viva.
i
• O estudo dos compostos de carbono é chamado de química
orgânica.
orgânica
• Existem três formas cristalinas do carbono:
– grafita (macia e preta),
preta)
– diamante (claro, duro e forma uma rede covalente) e
– buckminsterfulereno
b k i t f l
(f
(forma
molecular
l l do
d carbono,
b
C60, as
moléculas são parecidas com bolas de futebol).
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Capítulo 22
Carbono
Formas elementares do carbono
• Formas Microcristalinas e amorfas do C:
– Carbono preto (CH4(g) + O2(g) → C(s) + 2H2O(g)): usado
como um pigmento em tintas pretas e pneus de automóveis;
– Carvão vegetal (formado pelo aquecimento da madeira na
ausência de ar): carvão ativado é usado para a remoção de
odores e impurezas do ar e da água,
água e
– Coque (formado pelo aquecimento de carvão na ausência de ar):
usado como um agente de redução.
redução
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Capítulo 22
Carbono
Óxidos de carbono
• O carbono forma CO e CO2.
• CO é muito tóxico (se liga irreversivelmente ao Fe na
hemoglobina, provocando parada respiratória).
• O CO também tem um par solitário no C, o que não é normal.
• O CO é uma boa base de Lewis (por exemplo, o Ni(CO)4 forma-se
f il
facilmente
quando
d o Nii é aquecido
id em CO).
CO)
• O CO pode ser usado como um combustível (por exemplo, 2CO(g)
+ O2(g)
( ) → 2CO2(g),
( ) ΔH = -566
566 kJ).
kJ)
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Capítulo 22
Carbono
Óxidos de carbono
• O CO é um bom agente redutor (por exemplo, Fe3O4(s) + 4CO(g)
→ 3Fe(s) + 4CO2(g)).
• O CO2 é produzido quando compostos orgânicos são queimados
em oxigênio:
i ê i
C(s) + O2(g) → CO2(g)
C 4(g)
CH
( ) + 2O2(g)
( ) → CO2(g)
( ) + 22H2O(l)
C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l)
• O CO2 é produzido pelo tratamento de carbonatos com ácido.
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Capítulo 22
Carbono
Óxidos de carbono
• A fermentação do açúcar para produzir álcool também produz CO2:
C6H12O6(aq) → 2C2H5OH(aq) + 2CO2(g)
• Sob pressão atmosférica, o CO2 condensa-se para formar CO2(s)
ou gelo seco.
• O CO2 é usado como gelo seco (refrigeração), carbonação de
b bid soda
bebidas,
d (Na
( 2CO3.10H
10 2O) e bi
bicarbonato
b
dde sódio
ódi
(NaHCO3.10H2O).
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Capítulo 22
Carbono
Á id carbônico
Ácido
bô i e carbonatos
b
t
• Quando o CO2 se dissolve em água (moderadamente solúvel),
f
forma-se
á id carbônico:
ácido
bô i
H2CO3(aq)
CO2(aq) + H2O(l)
• O áácido
id carbônico
bô i é responsável
á l por fornecer
f
às
à bebidas
b bid
carbonadas um acentuado gosto ácido.
• A neutralização parcial do H2CO3 produz hidrogeno carbonatos
(bicarbonatos), e a neutralização completa produz carbonatos.
• Muitos minerais contêm CO32-.
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Capítulo 22
Carbono
Ácido carbônico e carbonatos
• A temperaturas elevadas o CaCO3 decompõe-se:
CaCO3(s) → CaO(s) + 2CO2(g)
• Essa reação é a fonte comercial de cal, CaO.
• O CaO reage com água e com o CO2 para formar o CaCO3, que
liga a areia na argamassa:
CaO(s) + H2O(l)
Ca2+(aq) + 2OH-(aq)
Ca2+(aq) + 2OH-(aq) + CO2(aq) → CaCO3(s) + H2O(l)
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Capítulo 22
Carbono
Carbetos
• Os carbetos são compostos binários entre C e metais, metalóides e
determinados não-metais.
• Três tipos de carbetos:
– iônico (formado por metais ativos, por exemplo, CaC2),
– intersticial (formado por metais de transição, por exemplo,
carbeto
b de
d tungstênio)
ê i )e
– covalente (formado por B e Si, por exemplo, SiC).
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Capítulo 22
Carbono
Outros compostos inorgânicos de carbono
• A química inorgânica é o estudo dos compostos dos elementos
diferentes de C.
• Dois compostos inorgânicos de carbono interessantes são HCN e
CS2.
• O HCN (cianeto de hidrogênio) é um gás extremamente tóxico.
tóxico
• O HCN é produzido pela reação de um sal, por exemplo, NaCN,
com ácido.
• Os cianetos são usados na fabricação de plásticos como o náilon e
o Orlon.
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Capítulo 22
Carbono
Outros compostos
p
inorgânicos
g
de carbono
• O CS2 é um importante solvente para ceras e graxas.
• O vapor de CS2 é muito tóxico.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
4A: Si
Si, Ge
Ge, Sn,
Sn e Pb
Tendências gerais dos elementos do grupo 4A
Configuração eletrôncia externa: ns2np2.
As eletronegatividades são baixas.
baixas
Os carbetos (C4-) são raros.
O estado de oxidação dominante para Ge,
Ge Sn e Pb é +2.
+2
O carbono tem um número e coordenação 4, os outros membros
têm números de coordenação mais altos.
altos
• As ligações C-C são muito fortes, logo, o C tende a formar longas
cadeias.
•
•
•
•
•
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
4A: Si
Si, Ge
Ge, Sn,
Sn e Pb
T dê i gerais
Tendências
i dos
d elementos
l
t do
d grupo 4A
• Uma vez que a ligação Si-O é mais forte do que a ligação Si-Si, o
Si tende
t d a formar
f
óxidos
ó id (silicatos).
( ili t )
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
4A: Si
Si, Ge
Ge, Sn,
Sn e Pb
Ocorrência e preparação do silício
•
•
•
•
Bolachas de Si são cortadas de cristais cilíndricos de Si.
O silício tem muitos usos importantes na indústria eletrônica.
O Si é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre.
O Si elementar é preparado pela redução do SiO2:
SiO2(l) + 2C(s) → Si(l) + 2CO(g)
• O Si é um semicondutor e, deste modo, deve ser extremamente
puro.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
4A: Si
Si, Ge
Ge, Sn,
Sn e Pb
O
Ocorrência
ê i e preparação
ã d
do silício
ilí i
• Para purificar, converta o Si impuro em SiCl4 (com Cl2), destile e
então
tã reduza
d
o SiCl4 em Si puro:
SiCl4(g) + 2H2(g) → Si(s) + 4HCl(g)
• O Si é então
tã adicionalmente
di i l
t purificado
ifi d pela
l refinação
fi ã de
d zona.
• A refinação de zona é usada para produzir Si ultrapuro.
• O cristal
i l de
d silício
ilí i é colocado
l d dentro
d
de
d um tubo
b com uma
atmosfera inerte.
• Uma
U espiral
i l de
d aquecimento
i
t é lentamente
l t
t movida
id para baixo
b i em
Si.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
4A: Si
Si, Ge
Ge, Sn,
Sn e Pb
Ocorrência e p
preparação
p
ç
do silício
• À medida que a espiral derrete o Si,
Si
quaisquer impurezas se dissolvem e
descem ppela espiral
p
de
aquecimento.
• No fundo do cristal, a porção de Si
contendo todas as impurezas é
arrancada e descartada.
• O cristal
i l restante é ultrapuro.
l
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
4A: Si
Si, Ge
Ge, Sn,
Sn e Pb
Silicatos
• 90 % da crosta terrestre é constituída de compostos de Si e O.
• Os silicatos são compostos onde o Si tem quatro átomos de O
circundados em um arranjo tetraédrico.
• O estado de oxidação do Si é +4.
• Outros minerais, como o zircônio, ZrO4, têm uma estrutura similar.
• O tetraedro de silicato são unidades básicas para estruturas mais
complicadas.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
4A: Si
Si, Ge
Ge, Sn,
Sn e Pb
Silicatos
• Se dois SiO42- se ligam, um átomo de O
é compartilhado.
• Esta estrutura é o íon disilicato, Si2O76-.
• Para se determinar a carga
g no íon,,
precisamos olhar os estados de oxidação
(+4 para o Si e -2 para o O): {[2×(+4)]
+[7×(-20]}
[7 ( 20]} = -6.
6
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
4A: Si
Si, Ge
Ge, Sn,
Sn e Pb
Silicatos
• Tanto a torteveita (Sc2Si2O7) como a hardistonita (Ca2Zn(Si2O7))
contêm íons disilicato.
• Muitos tetraedros de silicato podem se ligar para formar chapas,
cadeias
d i ou estruturas em 3D.
3D
• Considere uma estrutura com dois vértices ligados a dois outros
tetraedros:
– uma cadeia simples de fios de silicato pode se formar com uma
unidade de Si2O64- que se repete.
repete
– Exemplo: enstatito (MgSiO3).
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
4A: Si
Si, Ge
Ge, Sn,
Sn e Pb
Sili t
Silicatos
• Considere uma estrutura com dois vértices ligados a outros três
t t d
tetraedros:
– resulta em uma chapa bidimensional.
– resulta
lt em talco
t l mineral
i
l (talco,
(t l Mg
M 3(Si2O5)2(OH)2).
)
– os asbestos formam cadeias ou chapas de silicatos.
– as chapas
h
em asbestos
b
são
ã formadas
f
d em rolos.
l
– os rolos tornam os asbestos fibrosos.
– as fibras podem ser tecidas em pano (roupas à prova de fogo).
• O silicato tridimensional forma o quartzo.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
4A: Si
Si, Ge
Ge, Sn,
Sn e Pb
Silicatos
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
4A: Si
Si, Ge
Ge, Sn,
Sn e Pb
Vidro
• Vidros são o resultado que se obtém quando silicatos são aquecidos
( ligações
(as
li õ Si-O
Si O são
ã quebradas)
b d ) e depois
d i resfriados
f i d rapidamente
id
(as ligações Si-O são formadas outra vez antes que os átomos
sejam
j capazes
p
de se organizarem
g
em um arranjo
j ordenado).
)
• São usados aditivos para reduzir o ponto de fusão do SiO2.
• O vidro em janelas e garrafas é chamado vidro de soda-cal (CaO e
N 2O são
Na
ã usados
d como aditivos).
di i )
• O CaO e o Na2O formam calcário (CaCO3) e cinza de soda
(Na2CO3) quando aquecidos.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
4A: Si
Si, Ge
Ge, Sn,
Sn e Pb
Vidro
• As propriedades dos vidros são alteradas por aditivos:
– CoO produz vidro de cobalto azul,
– K2O produz um vidro mais resistente do que Na2O,
– PbO produz vidro de cristal de chumbo (alto índice de refração)
e
– B2O3 é usado para fazer Pyrex e Kimax.
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Capítulo 22
Outros elementos do grupo
4A: Si
Si, Ge
Ge, Sn,
Sn e Pb
Silicones
• Os silicones consistem em cadeias de ligações O-Si-O com Si-R
(R = grupo orgânico tal como CH3), preenchendo a valência de Si.
• Os silicones podem ser materiais parecidos com óleo ou borracha,
dependendo do comprimento da cadeia e do grau de ligação em
cruz.
• Os
O silicones
ili
são usados
d em lubrificantes,
l b ifi
ceras de
d polimento
li
de
d
carros, lacradores, calafetagem e para a fabricação de tecidos à
prova dd’água
água.
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Capítulo 22
Boro
•
•
•
•
Boranos: compostos de boro e hidrogênio.
O BH3 reage com ele mesmo para formar diborano, B2H6.
Hidrogênio aparece para formar duas ligações.
O diborano é muito reativo:
B2H6(g) + 3O2(g) → B2O3(s) + 3H2O(g), ΔH = -2030 kJ.
• Alguns boranos são reativos (B5H9) enquanto outros são estáveis
ao ar à temperatura ambiente (B10H14).
• O B2O3 é o único óxido de boro importante.
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Capítulo 22
Fim
Fi do
d Capítulo
C ít l 22
Química dos nãoQ
não-metais
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Capítulo 22