Química dos elementos metálicos - Instituto Politécnico de Tomar

Química Aplicada ao Ambiente
CET: ESTTQA-TMR1
Química dos Elementos Metálicos
Valentim M B Nunes
Unidade Departamental de Engenharias
Instituto Politécnico de Tomar, maio,2014
Química dos elementos metálicos
Todos os elementos podem ser classificados em metálicos, nãometálicos ou metalóides.
Esta Química Inorgânica Descritiva é necessária para a
compreensão da utilidade e aplicação da Química nos variados
processos industriais e biológicos (incluindo aspectos
ambientais).
Ocorrência
A maioria dos metais provem dos minerais. Um mineral é uma
substância que ocorre naturalmente e com composição
química definida. Um depósito mineral designa-se por minério.
Exercício 1. Indique três metais que ocorrem normalmente na natureza na forma
não combinada e três metais que ocorrem na natureza de forma combinada.
Processos metalúrgicos
A metalurgia é a ciência da separação dos metais a partir dos
minérios e o fabrico de ligas metálicas. Envolve: a) preparação do
minério; b) produção do metal; c) purificação.
A produção de um metal livre é sempre um processo de redução.
Por vezes é necessário previamente calcinar o minério para
expulsar impurezas voláteis

CaCO3(s)  CaO(s) + CO2(g)
2 PbS(s) + 3 O2(g)  2 PbO(s) + 2 SO2(g)
Os processos mais importantes são realizados a altas
temperaturas num processo conhecido como pirometalurgia.
Exercício 2. O que significa calcinação em metalurgia? Porque razão a calcinação
constitui uma importante fonte de poluição atmosférica e de chuva ácida?
Exercício 3. Uma determinada mina produz anualmente 2×108 kg de cobre a partir
da calcopirite, CuFeS2. O minério contém apenas 1% de cobre em massa. a) Se a
densidade do minério for 2.8 g.cm-3 calcular o volume de minério removido
anualmente; b) calcular a massa de SO2 produzida por calcinação.
Metalurgia do Ferro
O ferro existe na forma de certos minerais como a pirite (FeS) e a
hematite (Fe2O3). O processo envolve a redução química dos
minerais pelo carbono (na forma de coque) num alto forno.
3 Fe2O3 + CO  2 Fe3O4 + CO2
CaCO3  CaO + CO2
Fe3O4 + CO  3 FeO + CO2
C + CO2  2 CO
FeO + CO  Fe + CO2
Ferro fundido
Metais alcalinos
São os elementos menos electronegativos. Estado de oxidação
+1. Possuem pontos de fusão e densidade baixas.
Sódio (Na)
Obtenção: electrólise do NaCl fundido (pilha de
Downs)
Ocorrência: NaAlSi3O8 (albite); NaCl; NaNO3(nitrato
do Chile)
Reacções principais:
2 Na(s) + 2 H2O(l)  2 NaOH(aq) + H2(g)
2 Na(s) + O2(g)  Na2O2(g)
Na2O2(g) + 2 H2O(l)  2 NaOH(aq) + H2O2 (aq)
Potássio (K)
Ocorrência: KAlSi3O8 (ortoclase); KCl
Obtenção: destilação do KCl fundido a 892 °C.
Reacções principais:
2 K(s) + 2 H2O(l)  2 KOH(aq) + H2(g)
K(s) + O2(g)  KO2(g)
2 KO2(g) + 2 H2O(l)  2 KOH(aq) + O2(g) + H2O2 (aq)
4 KO2(g) + 2 CO2(g)  2 K2CO3(s) + 3 O2(g)
Aplicações
Na2CO3: tratamento de águas; fabrico de sabões; detergentes;
medicamentos, indústria do vidro.
Hidróxidos: produção de sabões; electrólitos de baterias, ....
Nitratos: fertilizantes; explosivos, .....
Exercício 4. Consulte um manual de Química ou fontes na www e descreva a
utilização dos seguintes compostos: a) NaCl; b) NaOH; c) KO2.
Metais alcalino-terrosos, magnésio (Mg)
Ocorrência: Mg(OH)2 (brucite); CaCO3.MgCO3
(dolomite); MgSO4.7 H2O (epsomite).
Obtenção: electrólise do MgCl2 fundido (obtido da água
do mar)
Reacções principais:
Mg(s) + H2O(g)  MgO(s) + H2(g)
2 Mg(s) + O2(g)  2 MgO(s)
3 Mg(s) + N2(g)  Mg3N2(s)
MgO(s) + H2O(l)  Mg(OH)2 (aq)
Cálcio (Ca)
Ocorrência: CaCO3 (calcário, giz e mármore);
CaSO4.2 H2O (gesso); CaF2 (fluorite)
Obtenção: electrólise do CaCl2 fundido
Reacções principais:
Ca (s) + H2O(l)  Ca(OH)2 (aq) + H2(g)
CaCO3 (s)  CaO (s) + CO2(g)
CaO (s) + H2O(l)  Ca(OH)2 (s)
Exercício 5. Quando exposto ao ar o cálcio forma inicialmente óxido de cálcio, que
se transforma em hidróxido de cálcio e finalmente em carbonato de cálcio. Escreva
as equações para cada etapa.
Aplicações
Magnésio: ligas metálicas; protecção catódica; baterias....
CaO: metalurgia; remoção de SO2; regulação da acidez dos
solos,.....
Ca(OH)2: tratamento de águas.
Dureza da água
A “dureza” na água para consumo humano está associada à
presença de catiões metálicos, designadamente os iões cálcio
(Ca2+) e magnésio (Mg2+). Uma água é considerada “dura”
quando contém na sua composição valores significativos destes
sais e “macia” quando os contém em pequenas quantidades.
Dureza da água
Grau de dureza
mg/L de CaCO3
Macia
0-60
Média
60-150
Dura
150-300
Muito dura
> 300
Alumínio (Al)
O alumínio é o metal mais abundante, e 3º elemento
mais presente na crusta terrestre (7.5%). Possui baixa
densidade, elevada resistência à tracção e é um
excelente condutor eléctrico.
Ocorrência: Al2O3. 2 H2O (bauxite); Be3Al2Si6O18 (berilo); Na3AlF6
(criolite); Al2O3 (corindo).
Obtenção: electrólise do óxido de alumínio anidro, pelo processo
de Hall-Héroult.
Reacções principais:
2 Al (s) + 6 HCl(aq)  2 AlCl3(aq) + 3 H2(g)
2 Al (s) + 2 NaOH(aq) + 2 H2O(l)  2 NaAlO2(aq) + 3 H2(g)
4 Al(s) + 3 O2(g)  2 Al2O3(s)
Aplicações
Alumínio: linhas de transmissão de alta tensão; construção de
aeronaves; recipientes; propulsor sólido para foguetões.
Reciclagem: O alumínio é utilizado em milhões de toneladas de
latas de refrigerantes. Para reciclar o alumínio é apenas
necessário a energia para aquecer o alumínio até ao ponto de
fusão ( ~ 660 ºC) e a energia de fusão ( ~10.7 kJ/mol). No total, a
energia para reciclar um mole de alumínio é cerca de 9% da
energia necessária para produzir a mesma quantidade por
electrólise.
Exercício 6. Consulte um manual de Química ou fontes na www e descreva as
propriedades e aplicações do alumínio que fazem dele um dos metais mais versáteis
conhecidos.
Aplicando….
Exercício 7. Consulte um manual de Química ou fontes na www e descreva uma
aplicação ambiental ou de saúde para cada um dos seguintes compostos: a) NaF; b)
Mg(OH)2; c) CaCO3.