No Slide Title - Aqui Tem Química

Parte II
1
Shriver Cap. 10
p. 361-381
Lee Cap. 12
p. 180-201
Russel v2 Cap. 21
p. 1066-1072
1078 - 1086
Brown Cap. 23
p. 856-865
Kotz Cap. 21
p. 276-284
Atkins & Jones
Cap. 14
p. 641 - 645
2
1
CONFIGURAÇÃO E POSIÇÃO NA TABELA
ELEMENTOS DO
GRUPO 13/ IIIA
[GÁS NOBRE] ns2 np1
B Z= 5 [He] 2s2 3p1
Al Z= 13 [He] 3s2 3p1
Ga Z= 31 [He] 4s2 4p1
3
Grupo do Boro / 13/ IIIA
Os elementos do grupo do
propriedades bem diversificadas:
boro
possuem
Boro é ametal;
Alumínio é metal, mas exibe similaridade ao Boro;
Gálio, Índio e Tálio são metais.
O estado de oxidação III é característico neste grupo,
com exceção do boro e tálio.
O boro forma inúmeros compostos/cluster com
menores quantidades de elétrons, assim são
chamados de “compostos deficientes em elétrons”.
4
2
Propriedade
B
Al
Ga
In
Tl
N° Atômico
5
13
31
49
81
Configuração
eletrônica
[He]2s2 2p1
[He]3s2 3p1
[He]3d10 4s2
4p1
[He]4d10 5s2 5p1
[He]4f14 5d10 6s2 6p1
P. Fusão (°C)
2180
660
30
157
303,5
P. Ebulição (°C)
4000
2519
2204
2082
1457
ΔHfusão KJ/mol
50,2
10,7
5,6
3,3
4,1
1° EI1 KJ/mol
800,6
577,5
578,8
558,3
589,4
2° EI2 KJ/mol
2427
1817
1979
1821
1971
3° EI3 KJ/mol
3660
2745
2963
2704
2878
4° EI4 KJ/mol
25030
11580
6200
5200
4900
Propriedade
Semicondutor
metal
metal
Metal mole
Metal mole
Fonte natural
bórax
bauxita
Sub-produto refino da bauxita
5
Ocorrência:
Boro encontrado na forma de
bórax, Na2[B4O5(OH)4]·8 H2O
Alumínio encontrado na forma
de bauxita, Al2O3· xH2O
Gálio, Índio e Tálio traços em
resíduos de extração bauxita.
bórax
bauxita
6
3
ALUMÍNIO
Os minerais de alumínio mais comuns são:
Bauxita: Al2O3 . n H2O
Criolita: Na3AlF3
Alumina: Al2O3
7
Alumínio
é o elemento de maior interesse
comercial dentro do grupo do boro.
2013-2014 – 50,6 milhões de Toneladas
http://www.world-aluminium.org/
8
4
http://www.world-aluminium.org/
9
Aplicações do Alumínio
O alumínio e seus compostos possuem uma enorme variedade de
aplicações.
As principais aplicações envolvem:
 Espelhos refletores.
 Material estrutural de automóveis, aviões e etc.
 Papel alumínio utilizado em alimentos/embalagens.
 Transmissão de corrente elétrica de alta tensão.
 Combustível sólido de foguetes e explosivos.
 Anodo de sacrifício de alguns metais.
 Fabricação de abrasivos (corundum, α-alumina).
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5
Gemas & Minerais
 Safira: Al2O3 com Fe3+ ou Ti3+
impurezas dão a cor azul enquanto
V3+ dá a cor violeta.
 Rubi: Al2O3 com impureza de Cr3+
11
Camada passivante
O alumínio possui resistência a corrosão devido a passivação
pela camada protetora do seu óxido (Al2O3).
4 Al(s) + 3 O2(g)  2 Al2O3(s) ∆H˚ = – 3351 kJ
∆G˚ = – 1582 kJ/mol
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6
METALURGIA
Metalurgia é o conjunto de processos que visa obter um metal a partir de
um composto químico existente na natureza, denominado de minério.
A metalurgia resulta num reação de redução (ganho de elétrons)
M+ + e- >>> M
Corrosão é o conjunto de processos que consiste em oxidar os
metais (perda de elétrons). A corrosão é o inverso da metalurgia.
M >>> M+ + eA solução de aluminato é calcinada e reduzida para produzir o metal.
13
HIDROMETALURGIA
Hidrometalurgia do alumínio
 O processo de Bayer:
– O minério triturado é dissolvido em NaOH 30% (em massa) a
150 - 230C e alta pressão (30 atm para impedir a ebulição).
– Al2O3 dissolve (é anfótero):
Al2O3.H2O(s) + 2H2O(l) + 2OH-(aq)  2Al(OH)4-(aq)
– A solução de aluminato é separada através da redução do pH.
– A solução de aluminato é calcinada e reduzida para produzir o
metal.
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7
ELETROMETALURGIA
Eletrometalurgia do alumínio
 A célula de eletrólise do processo de Hall-Heroult é usada para a
produção do alumínio METÁLICO puro.
 O Al2O3 funde à 2000 C e não é prático fazer eletrólise no sal
fundido.
15
Extração do Alumínio
O mineral que se extrai o alumínio é a bauxita, no entanto,
há muitas impurezas. Adota-se o Processo Industrial Bayer.
Bauxita
Al2O3
Impurezas:
SiO2
Fe2O3
TiO2
Processo Bayer
Fe2O3, SiO2 e TiO2
insolúvel
NaOH
[Al(OH)4]Processo Hall Heroult
1050°C
Al2O3
P.F.= 2070°C
Criolita
Na3[AlF6]
Eletrólise
P.F.= 950°C
Al
Alumínio
O processo consome muita energia cerca de 17-20 kWh/Kg Al
Mundialmente são recuperados cerca de 36% do alumínio produzido
O reciclo do alumínio economiza cerca de 95% da energia do processo.
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8
Obtenção do Alumínio METÁLICO
 O alumínio (Al) é obtido por
eletrólise
da
mistura
de
Al2O3/Na2AlF6
 Na2AlF6 é CRIOLITA
 O processo é o de Hall-Heroult
 Charles M. Hall (1863-1914)
 Paul Heroult (1863-1914)
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Fluoreto de Alumínio
 Os sais de fluoreto de alumínio
formam estruturas octaédricas através
da coordenação do Al3+ com os ânions
fluoretos.
 Os fluoretos de alumínio formam sais
do tipo da criolita, Na2AlF6, principal
fundente do alumínio.
F
F
Al
F
F
F
F
F
Al
F
F
F
F
 A criolita
permite
baixar
a
temperatura de fusão do processo de
obtenção do alumínio de 2070 °C para
950 °C.
18
9
Obtenção do Alumínio METÁLICO
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Obtenção do Alumínio METÁLICO
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10
Obtenção do Alumínio METÁLICO
 Processo de Bayer: a bauxita (~ 50 % de Al2O3) é purificada para
produzir óxido de alumínio puro.
 Hall-Heroult: usa o Al2O3 purificado em criolita fundida
(Na3AlF6, ponto de fusão 1012 C).
Anodo: C(s) + 2O2-(l)  CO2(g) + 4e- (x 3)
Catodo: 3e- + Al3+(l)  Al(l) (x 4)
 Os bastões de grafite são consumidos na reação.
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Curiosidade:
Você sabia que…
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11
Reatividade
 Boro elementar é inerte em condições normais, exceto com F2.
 Em temperaturas altas reage com ametais, metais e amônia.
 Alumínio oxida lentamente ao ar, dissolve em ácidos e na
presença de base forte (NaOH e KOH) ocorre liberação de H2. O
alumínio é usado como agente redutor de metais, como no
processo “termita”, via obtenção de ferro.
Al + 3H2SO4
2 Al + 2MOH + 6H2O
Al2(SO4)3 + 3H2
2M[Al(OH)4] + 3H2
anfótero
M= Na, K
2 Al + Fe2O3
Al2O3 + Fe
termita
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Hidreto de Alumínio
 O hidreto de alumínio, AlH3, é sólido pouco reativo. Nos laboratórios usase o tetra-hidroaluminato de lítio (LiAlH4), ou seja, o hidreto de lítio e
alumínio.
4 LiH. + AlCl3
LiAlH4 + 3 LiCl
 LiAlH4 é disponível comercialmente, sendo utilizado como uma forte fonte
de hidreto e como agente redutor. O ânion AlH4- reage com cloreto de
silício na formação de silano. O hidreto (H-) migra do elemento de menor
eletronegatividade (Al) para o elemento de maior eletronegatividade (Si)
LiAlH4 + SiCl4 → LiAlCl4 + SiH4
LiAlH4 + [(CH3)3NH]Cl → (CH3)3N--AlH3 + LiCl + H2
adutos
24
12
.
Haletos de Alumínio
Compostos
PF, ˚C
Temp. Sublim.
AlF3
1290
1272
221 pm
AlCl3
192.4
180
••
••
Cl
••
Cl
Al
••
Cl
••
AlI3
189.4
382
101Þ
Al
Cl
118Þ
Cl
206 pm
••
Cl
AlBr3
97.8
256
25
.
Haletos de Alumínio, gálio e índio
 A rota sintética mais conveniente:
2 M(s) + 6 HCl (g)
2 MCl3 (s) + 3 H2 (g)
M= Al, Ga, In
 A síntese a partir dos elementos:
2 Al(s) + 3Br2 (g)
2 Al2Br6 (s)
26
13
Extração dos demais
Gálio, Índio e tálio são obtidos como resíduos da extração de
alumínio através da bauxita e de outros metais.
Os sais são pré-concentrados e na sequência se realiza
a eletrólise.
Gálio
Índio
Tálio
27
Termite
8 Al + 3 Fe3O4
4 Al2O3 + 9 Fe(l)
28
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