Centro Universitário Anchieta Química Inorgânica II - Prof. Vanderlei I. Paula Lista de Exercícios 1 – turma 2014 - Gabarito Grupo 13/III-A 1) Descreva as reações de obtenção do elemento Boro a partir de: a) bórax (Na2B4O7.4H2O); Resposta: b) BCl3 Resposta: 2 BCl3 + H2 2 B + 6 HCl 2) Explique com suas palavras o processo Bayer para obtenção da alumina pura a partir do minério bauxita. Resposta: O processo Bayer recebe esse nome em homenagem ao seu inventor Karl Josef Bayer e desde 1888 é o principal processo industrial de produção mundial de alumina (óxido de alumínio), Al2O3. No processo Bayer, a bauxita que contém impurezas (~50%) é lavada com uma solução quente de hidróxido de sódio, NaOH, à 175°C (alta pressão para atingir temperatura maior que ebulição da água). A bauxita é transformada em hidróxido de alumínio, Al(OH)3, que na presença de grande excesso de base se dissolve via formação de aluminato de sódio de acordo com a equação química: Al2O3 + 2 OH- + 3 H2O → 2 [Al(OH)4]Os outros componentes da bauxita insolúveis são filtrados como impurezas sólidas. Depois, a solução de hidróxido é resfriada, e o hidróxido de alumínio dissolvido precipita-se em um sólido branco. Quando então aquecido a 1050°C, o hidróxido de alumínio se decompõe em alumina, liberando vapor de água no processo conforme a equação química: 2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O 3) Descreva o processo Hall-Heroult para obtenção do alumínio a partir da alumina. Qual o papel da criolita? (Sugestão: pg. 642 Atkins; pg. 1069 Russel). Resposta: O processo de Hall-Heroult consiste no aprimoramento do processo refinação da bauxita via alteração na constituição da mistura que é submetida à descarga elétrica. Leva-se a bauxita já refinada a um forno elétrico aplicando-se uma temperatura de 1050ºC, que sequencialmente é adicionado um fundente, a criolita, que permite o abaixamento da temperatura de fusão do óxido de alumínio de 2000°C para próximo de 1100°C. O óxido de alumínio fundido é condutor elétrico assim é possível à execução da eletrólise para obtenção do alumínio metálico. [email protected] www.aquitemquimica.com.br Centro Universitário Anchieta Química Inorgânica II - Prof. Vanderlei I. Paula Lista de Exercícios 1 – turma 2014 - Gabarito 4) Faça um resumo sobre hibridização, no resumo, inclua as hibridizações sp, sp 2 e sp3, monte um esquema indicando os subníveis, ângulos gerados por cada hibridização. Por final faça um desenho dos orbitais híbridos. Resposta: A teoria da ligação de valência permite entender resumidamente que as ligações químicas são formadas pelo acoplamento entre orbitais. O acoplamento ocorre até o máximo de dois elétrons por orbital (regra de Hund). Os orbitais são representações matemáticas da densidade eletrônica, assim é possível entender que há mudanças quando ocorre o acoplamento (ligação) entre os orbitais e também permite pensar que os orbitais podem ser misturados (híbrido). A hibridização sp 3 trata-se de uma mistura do orbital s e dos três orbitais p, nesse caso em particular houve uma mistura de quatro orbitais e irão ser gerados quatros novos orbitais híbridos sp 3. Interessante notar que os orbitais antes da hibridização podem ter energias diferentes e após a hibridização todos os orbitais envolvidos no processo possuem a mesma energia. A hibridização sp 2 deixa um orbital p e a hibridização sp deixa dois orbitais p fora do processo, podendo serem utilizados para ligações pi (). Exemplo: 1 orbital s + 3 orbitais p 4 orbitais sp3 Unused p orbital F B F F [email protected] www.aquitemquimica.com.br Centro Universitário Anchieta Química Inorgânica II - Prof. Vanderlei I. Paula Lista de Exercícios 1 – turma 2014 - Gabarito 5) Qual a diferença estrutural entre o etano e o diborano? O significa o termo “ligação policentrada”? (Sugestão: pg. 198 Lee; pg. 646 Atkins). Resposta: A diferença estrutural pode ser analisada na figura abaixo, o etano possui ligações simples envolvendo dois elétrons em cada ligação conforme é conhecido comumente pela teoria de ligação de valência (TLV). Já o diborano possui uma ligação interessante entre B-H-B, pois nessa ligação há disponível dois elétrons em três orbitais. A presença de três núcleos com dois elétrons, conhecido como ligação 3c, 2e; é denominada ligação em ponte no caso de hidrogênio e a ligação está deslocalizada entre os três núcleos B-H-B, assim policentrada. 6) Qual a definição de ácido e base pela teoria de Bronsted? Dê três exemplos. Resposta: A teoria ácido/base de Brönsted-Lowry é também conhecida como teoria protônica. Ácido é uma substância capaz de ceder um próton a uma espécie química, enquanto base é uma substância capaz de receber um próton. A definição de Bronsted-Lowry é mais abrangente que a de Arrhenius, principalmente pelo fato de nem todas as substâncias que se comportam como bases liberarem uma hidroxila OH-, como é o caso da amônia (NH3). Além disso, a definição protônica não condiciona a definição de ácidos e básicos à dissolução em meio aquoso. Exemplo 1: HCl + H2O Cl- + H3O+ O HCl atua como ácido, pois doa H+, já a molécula de água atua como uma base, pois recebe H+. A reação está representada em equilíbrio, veja a dupla seta (), assim o cloreto formado (Cl-) é uma base, pois recebe H+ do ácido H3O+. Exemplo 2: A piridina atua como base de Brönsted, pois recebe H+ do ácido bromídrico. Exemplo 3: NH3 + H2O NH4+ +OHA molécula de amônia atua como uma base de Brönsted, pois aceita H+ da molécula de água, sendo a água um ácido de Brönsted nesse caso. 7) Qual a definição de ácido e base pela teoria de Lewis? Dê três exemplos. Resposta: A teoria de ácido e base de Lewis envolve a transferência de um par de elétrons, sendo a base toda a espécie capaz de doar um par de elétrons e o ácido a espécie química correspondente a aceitação de um par de elétrons. A junção do ácido é base é conhecido como aduto ácido-base ou complexo. [email protected] www.aquitemquimica.com.br Centro Universitário Anchieta Química Inorgânica II - Prof. Vanderlei I. Paula Lista de Exercícios 1 – turma 2014 - Gabarito Exemplo 1: 1 Fe+2 + 6 :NH3 [Fe(NH3)6]+2 Se uma solução de ferro(II) é colocada na presença de uma solução de amônia, o íon de ferro(II) aceita um par de elétron da molécula de amônia, dessa forma o íon ferro atua como ácido de Lewis e a molécula de amônia atua como uma base de Lewis. O aduto formado (complexo) está representado por [Fe(NH 3)6]+2 do qual há seis moléculas de amônia doando um par de elétron para o ferro. Exemplo 2: 2 Al2S3 + 3 :O2 2 Al2O3 + 6 :S Geralmente todos os cátions atuam como ácido de Lewis. O átomo de alumínio no sulfeto de alumínio (Al2S3) comporta como ácido de Lewis e o oxigênio e enxofre atuam como base de Lewis. Na reação acima envolve a troca da base Lewis coordenada ao átomo de alumínio. Exemplo 3: H+ + :OH- H2O O íon hidrônio (H+) atua como ácido de Lewis, enquanto o íon hidroxila (:OH -) atua como base de Lewis, doando um par de elétrons. 8) Qual é a estrutura molecular exibida pelos trihaletos de boro? Por que os trihaletos do grupo III são considerados ácidos de Lewis? (Sugestão: pg. 645 Atkins; pg. 1081 Russel). Resposta: Os trihaletos de boro BX3 apresentam geometria molecular trigonal plana e apresentam na forma monomérica. Nem todos os haletos do grupo III são monoméricos, por exemplo, os haletos de alumínio podem apresentar como dímeros. Os trihaletos do grupo III possuem um orbital p vazio e consequentemente podem utilizar esse orbital para o recebimento de um par de elétrons (ácido de Lewis). Na figura abaixo está representado o orbital p vazio do fluoreto de boro. Unused p orbital F B F F 9) De que maneira os trihaletos de boro ou mesmo o diborano podem promover sínteses orgânicas? (Sugestão: pg. 196 Lee; pg. 1081 Russel). Resposta: Os trihaletos de boro são utilizados em várias sínteses orgânicas, principalmente em reações que haja necessidade de ácidos de Lewis ou agentes redutores como o caso para o diborano ou boroidretos como demostrado na figura abaixo. [email protected] www.aquitemquimica.com.br Centro Universitário Anchieta Química Inorgânica II - Prof. Vanderlei I. Paula Lista de Exercícios 1 – turma 2014 - Gabarito Os compostos de podem gerar vários outros compostos como apresentado na figura abaixo: 10) Explique a força relativa como ácidos de Lewis na série: BBr 3 > BCl3 BH3 > B(CH3)3. Resposta: A força de acidez de Lewis está diretamente relacionada com a capacidade aceptora de elétrons pela espécie química, seria de esperar que compostos bem deficientes de elétrons tenham boa capacidade de aceitação de elétrons. A sequência da acidez dos haletos de boro: BF 3<BCl3<BI3 é bem interessante, pois esperar-se-ia que o BF3 fosse o melhor ácido de Lewis, pois os átomos de flúor deixam o boro bem deficiente de elétrons pela ligação sigma (simples). A acidez se mostra inversa pelo fato que o flúor possui orbital p preenchidos e estão próximos e tem tamanho relativo para o acoplamento bem efetivo, dessa forma o orbital p vazio do boro passam a serem ocupados. Já para o triiodeto de boro o orbitais p preenchidos estão mais afastados do orbital p vazio do boro e não possuem um tamanho relativo para um bom acoplamento. A sequencia de acidez apresentada no exercício pode ser pensada pelo mesmo princípio: BBr3 > BCl3 BH3 > B(CH3)3. 11) Como faria para demonstrar experimentalmente que o alumínio é anfótero? Apresente as reações químicas. Resposta: O alumínio reage com ácido e base por isso à denominação de anfótero. reação 1: 2 Al + 2 NaOH + 2 H2O 2 Na[Al(OH)4] + H2 reação 2: 2 Al + 3 H2SO4 Al2(SO4)3 + 3 H2 A reação 1 o alumínio reage com um base, dessa forma está atuando como um ácido de Brönsted. Na reação 2 o alumínio reage com um ácido, assim atua como uma base de Brönsted. Como o alumínio atua como ácido ou base de acordo com o meio, é denominado anfótero. [email protected] www.aquitemquimica.com.br Centro Universitário Anchieta Química Inorgânica II - Prof. Vanderlei I. Paula Lista de Exercícios 1 – turma 2014 - Gabarito 12) O que significa aluminotermia? Qual sua importância industrial? Resposta: Aluminotermina significa reações que promovem o aproveitamento do intenso poder calorífico gerado pelo processo químico de oxidação do alumínio com o intuito de obtenção de metais. Em outras palavras, o processo aluminotérmico consiste na redução dos óxidos metálicos a partir do alumínio para a obtenção dos respectivos metais. A importância industrial está no fato da facilidade de geração de calor na promoção de soldas envolvendo ferro e no processo de obtenção de cromo metálico. Exemplo: 2 Al + Cr2O3 → Al2O3 + 2 Cr 2 Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2 Fe 13) Cite as principais características dos compostos de boro. Resposta: As principais características dos compostos de boro está centrada na sua deficiência de elétrons, assim podendo seus compostos atuarem como ácido de Lewis. O bórax (Na2[B4O5(OH)4] 8H2O) é utilizado na fabricação de vidros de borosilicato, surfactante, obtenção de boro elementar, retardante de chama, preservativo de madeiras (“Polybor” e “Timbor”). Os nitretos de boro possuem alto índice de refração, portanto, são aplicados na indústria de cosméticos em geral. Nitretos de boro de estrutura mole (lamelar) são empregados como lubrificantes que trabalham a altas temperaturas e não condutor de corrente elétrica. A estrutura do nitreto de boro pode ser dura como no caso do borazon, a alta dureza (mais próximo ao diamante) permite ser utilizado em ferramentaria de corte e abrasivos. 14) Cite as principais características dos compostos de alumínio. Resposta: O alumínio é um metal leve, macio e resistente. Possui um aspecto cinza prateado e fosco, devido à fina camada de óxidos que se forma rapidamente quando exposto ao ar. O alumínio não é tóxico como metal, não-magnético, e não cria faíscas quando exposto a atrito. O alumínio puro possui tensão de 19 MPa a 400 MPa Sua densidade é aproximadamente de um terço do aço ou cobre. É muito maleável, muito dúctil, apto para a mecanização e fundição, além de ter uma excelente resistência à corrosão e durabilidade devido à camada protetora de óxido. É o segundo metal mais maleável, sendo o primeiro o ouro, e o sexto mais dúctil. Por ser um bom condutor de calor, é muito utilizado em panelas de cozinha As aplicações do alumínio são inúmeras: -condutor elétrico (fios); -laminados (fuselagem de aviões); -carcaça de equipamentos (durabilidade); -embalagens alimentícias (TETRA PAK, latas, papel alumínio); -refletores automotivos; -espelhos; -bens de consumo (portas, janelas e outros); -recipientes criogênicos; [email protected] www.aquitemquimica.com.br