Material complementar

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Capítulo 1
Substâncias simples e compostas
1. Alotropia
1.1 Introdução
A alotropia é a propriedade que alguns elementos químicos têm de formar
diferentes substâncias, de estruturas e propriedades químicas diversas. A alotropia
ocorre apenas com substâncias simples, ou seja, formadas por um único elemento.
As diferentes substâncias alotrópicas de um dado elemento podem diferir em
relação ao número de átomos ou à estrutura. Uma das formas alotrópicas é sempre mais
estável que as demais. Seguem abaixo os elementos mais conhecidos por sua alotropia.
1.2 Oxigênio
O oxigênio possui duas formas alotrópicas:
Gás oxigênio
O gás oxigênio, O2, é incolor, inodoro, e indispensável à vida animal e às
combustões. É a forma alotrópica mais estável do elemento.
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Gás ozônio
O gás ozônio, O3, é ligeiramente azulado e tem cheiro desagradável. É responsável
por reação química que absorve grande parte da radiação ultravioleta vinda do Sol.
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1.3 Carbono
O carbono possui três formas alotrópicas:
Grafite
O grafite ou grafita, Cn, mole, condutor elétrico, está presente em diversos
materiais, como a fuligem e o carbono ativado. Na grafite, o carbono apresenta
hibridização do tipo sp2, com geometria triangular plana. É a forma alotrópica mais
estável do carbono.
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Diamante
O diamante, Cn, é uma forma alotrópica que está entre os mais duros materiais
conhecidos. Bom isolante elétrico, apresenta hibridização do tipo sp3 e, portanto,
geometria tetraédrica, responsáveis por sua rigidez.
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Fulerenos
Os fulerenos, sendo C60 o mais conhecido, são formas alotrópicas descobertas na
década de 1980. A estrutura dos fulerenos guarda semelhança com bolas de futebol,
onde os vértices dos gomos correspondem aos átomos, e as costuras correspondem às
ligações químicas. Os fulerenos são substâncias moleculares, ao contrário da grafite e do
diamante, e, portanto, são solúveis em solventes apolares. Possuem hibridização do tipo
sp2. Derivados dos fulerenos parecem ter bastantes aplicações em áreas distintas como
física da supercondutividade, medicina e nanotecnologia.
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2. Metais
2.1 Alumínio
O alumínio (símbolo: Al) é o elemento metálico mais abundante na crosta terrestre.
No entanto, é um metal presente em baixas quantidades nos minerais. A fonte comercial
do alumínio é a bauxita, um óxido hidratado de fórmula Al2O3 ∙ x H2O, onde x varia até 3.
No processo de obtenção do alumínio, a bauxita é purificada e desidratada,
obtendo-se alumina, Al2O3. A alumina é fundida com outros minerais, o que possibilita a
eletrólise. Este processo demanda muita energia, sendo extremamente vantajosa a
reciclagem do alumínio.
O alumínio tem como propriedades mais interessantes a baixa densidade, a grande
disponibilidade e a alta resistência à corrosão. Assim, o alumínio é bastante utilizado na
construção civil e, em alguns casos, em fiações aéreas de energia elétrica. Em aviões, por
exemplo, o alumínio encontra-se misturado a outros elementos, como cobre e silício.
2.2 Cobre
O cobre (símbolo: Cu) é um elemento estável o suficiente para ser encontrado na
natureza em seu estado metálico. No entanto, sua obtenção comercial é feita a partir de
seus sulfetos; em especial, da calcopirita, CuFeS2.
A calcopirita é purificada, e depois oxidada, resultando no sulfeto de cobre, CuS. O
CuS sofre, então, nova reação com oxigênio, chamada ustulação, para a obtenção do
cobre metálico. Em ambas as oxidações, é gerado como subproduto o SO 2, um óxido
ácido gasoso poluente, responsável pela chuva ácida.
O cobre é um excelente condutor elétrico, mas, para isso, precisa estar bastante
puro. O cobre também é encontrado em diversas ligas metálicas de aplicação frequente,
como veremos no último tópico desta seção.
2.3 Ferro
O ferro (símbolo: Fe) é o elemento mais abundante da Terra como um todo, e o
segundo elemento metálico mais encontrado na crosta. Comercialmente, é obtido a
partir de seus óxidos hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4, ou Fe2O3 ∙ FeO). A pirita ou
“ouro de tolo” (FeS2) também é abundante, mas o processo de obtenção do ferro a partir
da pirita é bem mais caro.
Essencialmente, o ferro é obtido pela reação do minério de ferro com monóxido de
carbono (CO), gerando ferro metálico e dióxido de carbono (CO2). A cal virgem (CaO)
também é usada no processo, essencialmente na eliminação de impurezas do minério,
como óxidos de fósforo, silício e alumínio.
O ferro obtido desse processo é chamado ferro fundido ou ferro-gusa, bastante duro
e quebradiço, com 3 a 5% de carbono, que é usado em materiais que não necessitam de
grande resistência, como gradis, caixas de transmissão ou blocos de motor. O ferro é o
principal componente do aço, a mais importante liga metálica.
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2.4 Ligas metálicas
A maioria dos objetos metálicos que utilizamos no cotidiano não é feita de metais
puros, mas de misturas de metais com outros materiais, chamadas ligas metálicas. Isto
ocorre porque as propriedades das ligas metálicas podem ser bastante diferentes das
propriedades dos metais. A estrutura das ligas metálicas é mais complexa que a estrutura
dos metais puros, pois os raios atômicos de seus diversos componentes são diferentes.
2.5 Principais ligas
Algumas das principais ligas metálicas são:
Latão
Liga de cobre que possui até 40% de zinco. Utilizado em tubulações e outras peças
da construção civil, armas, instrumentos musicais, entre outros.
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Bronze
Liga de cobre que possui pequena porcentagem de outros metais. O bronze de
fundição, por exemplo, tem 10% de estanho e 5% de chumbo. Utilizado em peças de
decoração, como estátuas e placas.
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Cuproníquel
Liga de cobre que possui 25% de níquel. Utilizada na cunhagem de moedas.
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Aço
Liga de ferro. Existem vários tipos de aço, cada um deles com um elemento
misturado ao ferro. O tungstênio, por exemplo, dá ao aço maior dureza e resistência a
altas temperaturas. Os aços mais comuns são o inoxidável (12 a 15% de crômio) e os
aços com carbono (de 0,1 a 1,5% de carbono), nos quais o acréscimo do percentual de
carbono aumenta a resistência do material; exemplos: o aço com 0,1% de carbono é
usado na fabricação de fios; o aço com 1% de carbono é usado na fabricação de facas.
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Solda
Liga de chumbo e estanho, de baixo ponto de fusão.
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3. Outras substâncias simples
3.1 Hidrogênio
O hidrogênio é o elemento mais abundante do Universo. Apesar disso, o hidrogênio
é um elemento bem mais raro na Terra. Isto ocorre porque o gás hidrogênio (H 2),
substância simples em que ocorre, é a substância poliatômica de menor massa
molecular, escapando com facilidade do campo gravitacional terrestre.
O gás hidrogênio é incolor, inodoro e atóxico. Apolares e de massa reduzida, as
moléculas de H2 têm baixíssima atração intermolecular: sua temperatura de fusão é de
–259°C (ou 14 K) e a de ebulição, –253°C (ou 20 K). Embora seja bem menos denso que
o ar, o hidrogênio é extremamente inflamável. Por este motivo, não pode ser utilizado
para encher balões.
Produto secundário do refino de petróleo e da indústria cloro-álcali (que efetua a
eletrólise da salmoura), o gás hidrogênio pode ser obtido pela eletrólise da água onde a
energia elétrica é barata.
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As aplicações mais comuns do gás hidrogênio são: reações orgânicas, em especial
as de hidrogenação catalítica de óleos vegetais; combustível de foguetes; matéria-prima
na síntese de compostos como a amônia (NH3) e o metanol (CH3OH).
3.2 Oxigênio
O oxigênio é o principal elemento da crosta terrestre. A substância simples mais
comum que o oxigênio forma é o gás oxigênio (O2). Este gás é o segundo mais abundante
da atmosfera. Acredita-se que grande parte dele tenha sido produzida pela fotossíntese
de vegetais e algas, e outra parte, produzida pela ação fotoquímica da luz solar na água.
Incolor e inodoro, o gás oxigênio é vital para a maior parte dos organismos vivos
da Terra. Apolar, tem forças intermoleculares de baixa intensidade. Sua TF é de –218°C
e sua TE é de –183°C. O gás oxigênio está presente em toda combustão como o
comburente, ou seja, como a substância que alimenta a combustão.
O gás oxigênio é obtido industrialmente pela destilação fracionada do ar
atmosférico liquefeito. Utilizado na indústria do aço na remoção do excesso de carbono,
em procedimentos médicos e na síntese de alguns compostos.
3.3 Nitrogênio
O nitrogênio, embora seja um elemento relativamente raro na crosta terrestre, é o
mais abundante da atmosfera. O gás nitrogênio (N 2), substância simples que forma, é
uma substância quase tão inerte quanto os gases nobres, devido à fortíssima tripla
ligação que une os dois átomos da molécula.
O gás nitrogênio só está disponível à maioria dos organismos quando está fixado,
ou seja, presente em outros tipos de moléculas em que possa ser útil. Algumas bactérias
são capazes de converter o N2 em nitratos, que, por sua vez, podem ser utilizados na
síntese de proteínas. Relâmpagos também convertem parte do N 2 em óxidos de
nitrogênio, que são mais fáceis de fixar.
Incolor e inodoro, o gás nitrogênio é apolar, tendo TF igual a –210°C e TE igual a
–196°C. Industrialmente, o gás é obtido pela destilação fracionada do ar liquefeito. A
fixação industrial do nitrogênio, para a fabricação de fertilizantes, é efetuada pela reação
com o gás hidrogênio, produzindo amônia (NH3).
Além da amônia, o nitrogênio é usado na síntese do ácido nítrico, e na criação de
uma atmosfera inerte, como, por exemplo, no interior de embalagens de alimentos. O
nitrogênio líquido é útil na conservação de material biológico em laboratórios.
3.4 Cloro
O cloro é o terceiro elemento mais encontrado na hidrosfera, ou seja, na parte
líquida da crosta terrestre, sendo apenas mais raro que o hidrogênio e o oxigênio. Forma
o gás cloro (Cl2), um gás levemente amarelo-esverdeado, apolar, de TF igual a –101°C e
TE igual a –34°C.
Produzido diretamente pela eletrólise da salmoura, o gás cloro é tóxico e é um
reagente extremamente forte, sendo capaz de reagir com praticamente todos os
elementos, às exceções do carbono, do nitrogênio, do oxigênio e dos gases nobres.
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O cloro é um dos reagentes industriais de mais vasta aplicação. É usado nas
indústrias têxteis, de plásticos, de solventes, de papel e celulose, de pesticidas, e no
tratamento de água para consumo.
4. Principais compostos inorgânicos
4.1 Ácido clorídrico
O cloreto de hidrogênio, HCl, é um composto gasoso à temperatura ambiente. Sua
temperatura de fusão é de –115°C e sua TE é de –85°C. Em solução aquosa, é chamado
ácido clorídrico; comercialmente, é conhecido como ácido muriático.
O ácido clorídrico é um líquido ligeiramente amarelado, de odor irritante e tóxico.
Por ser um ácido forte, em altas concentrações, é bastante corrosivo. É obtido
industrialmente por síntese direta:
H2 + Cl2 → 2 HCl.
Entre as principais aplicações do ácido clorídrico estão a limpeza de metais e
mármores e a oxidação do ouro. É matéria-prima na produção de outros compostos, e o
principal componente do suco gástrico.
4.2 Ácido sulfúrico
O ácido sulfúrico, H2SO4, é um líquido viscoso e denso à temperatura ambiente.
Tem TF igual a 10°C e TE igual a 338°C. Bom agente oxidante, é desidratante e muito
corrosivo. Sua dissolução em água é altamente exotérmica, isto é, libera muito calor.
Industrialmente, o ácido sulfúrico é obtido por meio de um processo dividido
essencialmente em três etapas, denominado processo de contato:
1) oxidação do enxofre a 1000°C: S + O2 → SO2.
2) oxidação do gás SO2 a 500°C: 2 SO2 + O2 → 2 SO3.
3) hidratação do gás SO3:
SO3 + H2O → H2SO4.
O ácido sulfúrico é a substância química produzida em maior quantidade pela
indústria. Utilizado em indústrias de papel, de fertilizantes, de tintas, em baterias
automotivas, entre muitas outras aplicações.
4.3 Ácido nítrico
Líquido volátil e incolor, o ácido nítrico, HNO3, tem TF de –42°C e TE de 86°C.
Excelente agente oxidante, é capaz, na proporção de 1 : 3 em volume com ácido
clorídrico, oxidar o ouro, em uma mistura chamada água régia.
O ácido nítrico é produzido industrialmente a partir da amônia, pelo processo
Ostwald. As reações são as seguintes:
1) 4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O
2) 2 NO + O2 → 2 NO2
3) 3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO
O NO gerado na reação 3 também é oxidado a HNO3 pelas reações 2 e 3.
Por conter o grupo nitrato, o ácido nítrico é largamente utilizado na indústria de
fertilizantes, de explosivos, de corantes e de medicamentos.
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4.4 Amônia e hidróxido de amônio
A amônia, NH3, é gasosa e incolor à temperatura ambiente. Tem temperatura de
fusão igual a –78°C e TE igual a –34°C. Quando em solução aquosa, forma o hidróxido de
amônio, NH4OH, conhecido como amoníaco.
A amônia é produzida industrialmente pelo processo Haber-Bosch, a partir dos
gases nitrogênio e hidrogênio. É utilizada nas indústrias de fertilizantes, fios e fibras
sintéticas, pilhas e baterias, corantes, entre outras. O hidróxido de amônio é utilizado na
limpeza doméstica.
4.5 Hidróxido de sódio
O hidróxido de sódio, NaOH, é um sólido branco, cristalino, deliquescente (absorve
água da atmosfera até se dissolver completamente) e extremamente corrosivo. Tem
ponto de fusão igual a 318°C e ponto de ebulição de 1390°C.
Gerado pela eletrólise da salmoura (solução aquosa de cloreto de sódio, NaCl), o
hidróxido de sódio é usado na fabricação de sabão, extração de celulose, refino de
petróleo e no desentupimento de tubulações.
O hidróxido de sódio, por ser uma base forte, reage com o óxido ácido (SiO 2) que
compõe o vidro. Por este motivo, o NaOH costuma ser guardado em frascos plásticos.
4.6 Outros ácidos
Outros ácidos de importância são:
Ácido fluorídrico
Fórmula: HF. Corrói até vidros, sendo usado para fazer gravações.
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Ácido sulfídrico
Fórmula: H2S. Produto da decomposição de substâncias orgânicas com átomos de
enxofre. É venenoso.
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Ácido carbônico
Fórmula: H2CO3. Ácido instável, presente na água natural e nos refrigerantes,
formado pela adição de CO2 em água.
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Ácido fosfórico
Fórmula: H3PO4. Sólido. Usado na indústria de tintas e de fertilizantes.
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4.7 Outras bases
Outras substâncias inorgânicas básicas têm especial interesse em Química:
Hidróxido de cálcio
Fórmula: Ca(OH)2. Conhecida como cal hidratada. Usada na construção civil
(preparação de argamassa), em branqueamento de tecidos e como desinfetante.
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Hidróxido de magnésio
Fórmula: Mg(OH)2. Pouco solúvel. Em suspensão (mistura heterogênea de
pequenas partículas) é conhecido como leite de magnésia.
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4.8 Sais notáveis
Alguns dos principais sais são:
Cloreto de sódio
Fórmula: NaCl. Principal sal da água do mar. Usado na indústria cloro-álcali (de
produção de NaOH e compostos clorados).
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Nitratos
Usados em fertilizantes e explosivos. O nitrato mais usado é o de sódio, NaNO 3,
conhecido como salitre do Chile. Por sua alta solubilidade em água, reservas de nitratos
são raras. O nitrato de sódio, por exemplo, só é encontrado em quantidades significativas
no deserto de Atacama, no Chile.
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Sulfato de cálcio
Fórmula: CaSO4. O sulfato de cálcio se apresenta de duas formas diferentes: anidra,
constituindo o giz escolar, e diidratada (CaSO4 ∙ 2H2O), formando o gesso.
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Bicarbonato de sódio
Fórmula: NaHCO3. Usado largamente na indústria de alimentos. É um sal básico e
libera CO2 com facilidade, estando presente em extintores.
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Carbonato de cálcio
Fórmula: CaCO3. Sal dos mármores (calcário). Usado na produção do cimento.
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Carbonato de sódio
Fórmula: Na2CO3. Conhecido também como barrilha. Usado na fabricação de vidros.
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Fosfato de cálcio
Fórmula: Ca3(PO4)2. Um dos componentes dos ossos.
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4.9 Óxidos notáveis
Alguns dos óxidos mais importantes são:
Monóxido de hidrogênio
Fórmula: H2O. Água. Essencial para a vida na Terra. Muitas das propriedades da
água serão vistas ao longo do curso, pois esta está presente na maior parte dos processos
químicos.
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Dióxido de carbono
Fórmula: CO2. Gás carbônico. Um dos responsáveis pelo efeito estufa, junto com a
água. Importante para a vida, pois é fundamental na fotossíntese.
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Óxido de cálcio
Fórmula: CaO. Cal virgem. Utilizada na preparação de solos (correção da acidez) e
na argamassa.
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Óxidos de nitrogênio e enxofre
Fórmulas: NxOy, SxOy. Gerados como subproduto industrial ou na queima de
combustíveis fósseis. Por serem óxidos ácidos, causam a chuva ácida.
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Peróxido de hidrogênio
Fórmula: H2O2. Utilizado como antisséptico, além da indústria têxtil e madeireira.
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