CQ093 Quimica dos Elementos. Propriedades Gerais
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CQ-093 Química Inorgânica Fundamental Engenharia Química Responsáveis: Prof. Fábio Souza Nunes www.quimica.ufpr.br/fsnunes/cq093 Profa. Giovana Gioppo Nunes www.quimica.ufpr.br/nunesgg/cq093 CQ-093 Química Inorgânica Fundamental Engenharia Química CQ-093 Química Inorgânica Fundamental Engenharia Química CQ-093 Química Inorgânica Fundamental Engenharia Química CQ-093 Química Inorgânica Fundamental A indústria química brasileira POSIÇÃO DE DESTAQUE US$ 113,5 bilhões faturamento líquido em 2016 US$ 58,6 bilhões produtos químicos de uso industrial 2016 3o maior PIB da indústria 2,5% 10,4% do PIB Brasil 400 mil 2 milhões Empregos diretos empregos indiretos Fonte: Abiquim 2016 Salários: dobro da indústria de transformação A química brasileira na indústria de transformação Fonte: Abiquim Evolução do faturamento líquido da indústria química brasileira Fonte: Abiquim Evolução da produção ESTAGNAÇÃO NA ÚLTIMA DÉCADA Fonte: Abiquim Utilização da capacidade instalada (UCI) da indústria química brasileira Fonte: Abiquim, CNI A indústria química mundial 8a Fonte: Abiquim, ACC Onde estão os produtos químicos? Onde estão os produtos químicos? Classificação dos produtos químicos Classificação dos produtos químicos A indústria química brasileira Unidades de produção 11 unid. EXTRAÇÃO e REFINO petróleo e gás 06 unid. 1a GERAÇÃO petroquímicos básicos (eteno, propeno, butadieno, benzeno, xilenos) 2,5 mil unid. ind. e 2,3 mil empresas 2a GERAÇÃO químicos intermediários e resinas termoplásticas (PE, PP, PS, PET, SBR) 12 mil empresas 3a GERAÇÃO transformadores plásticos (embalagens, autopeças, eletrodomésticos, tubos) Fonte: Abiquim, Abiplast e Braskem Produtos Químicos – Produção Mundial Classificação Produto Químico Milhões de toneladas 1 Cal 283 2 Ácido sulfúrico 200 3 Etileno 156 4 Uréia 151 5 Amônia 140 6 Propileno 80 7 Hidróxido de sódio 66 8 Ácido nítrico 60 9 Cloro 56 10 Carbonato de sódio 50 Fonte: The Essential Chemical Industry Classificação Produto Químico Milhões de toneladas 11 Hidrogênio 50 12 Benzeno 42 13 Ácido fosfórico 38 14 1,4-Dimetil benzeno 33 15 Ácido Clorídrico 20 16 Etilenoglicol 18 17 Óxido de etileno 17 18 1,3-Butadieno 12 19 Dióxido de titânio 5,1 20 Peróxido de Hidrogênio 3,8 Fonte: The Essential Chemical Industry GRUPO 1 GRUPO 1 - A INDÚSTRIA CLORO-ÁLCALIS MATÉRIA PRIMA Mina de Sal Gema em Cheshire, Reino Unido NaCl obtido da evaporação da água do mar GRUPO 1 - METAIS ALCALINOS OBTENÇÃO Eletrólise Ígnea de Cloreto de Sódio Na+(NaCl) + e- → Na(s) 2Cl-(NaCl) → Cl2(g) + 2eCélula de Downs GRUPO 1 – A INDÚSTRIA CLORO-ÁLCALIS Produção de soda cáustica Eletrólise de Cloreto de Sódio em solução aquosa NaCl(aq) → Na+(aq) + Cl-(aq) 2H2O (aq) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq) 2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e- 2 NA zAzB e 1 - d A HR= 4odo do NaOH - Aplicações GRUPO 1 – Produção de hidróxido de sódio Célula de cátodo de mercúrio Célula de diafragma NaOH(aq) 12% Célula de membrana NaOH(aq) 50% NaOH(aq) 30% BARRILHA OU SODA LEVE MÉTODO SOLVAY CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) NH3(g) + H2O(l) NH4OH(aq) 2NH4OH(aq) + CO2(g) (NH4)2CO3(aq) + H2O(l) (NH4)2CO3(aq) + CO2(g) + H2O(l) 2NH4HCO3(aq) NH4HCO3(aq) + NaCl(aq) NH4Cl(aq) + NaHCO3(s) 2NaHCO3(s) Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(l) CaO(s) + H2O(l) Ca(OH)2(aq) 2NH4Cl(aq) + Ca(OH)2(aq) 2NH3(g) + CaCl2(aq) + 2H2O(l) Ernest Solvay CaCO3(s) + 2NaCl(aq) Na2CO3(s) + CaCl2(aq) BICARBONATO DE SÓDIO Processo Solvay BARRILHA OU SODA LEVE BICARBONATO DE SÓDIO É preparado pela carbonatação de uma solução saturada de carbonato de sódio com CO2(g) comprimido a 40 oC: Na2CO3(aq) + CO2(g) + H2O(l) 2NaHCO3(s) GRUPO 2 Magnésio o magnésio é único elemento do grupo 2 produzido em larga escala e o terceiro mais usado depois de ferro e alumínio; É um material estrutural de baixa densidade (1,74 g.cm-3 compare com aço 7,8 e Al 2,7); usado na fabricação de ligas contendo Al, Zn, Mn, Pr, Nd e Th usado na fabricação de estruturas e peças de aeronaves e motores de automóveis. o magnésio é importante em síntese orgânica, sendo usado na preparação dos reagentes de Grignard, RMgBr. Cálcio o cálcio é obtido por eletrólise de CaCl2 fundido (obtido como subproduto do processo Solvay ou a partir da reação entre CaCO3 e HCl). o cálcio puro é usado para a produção de ligas com Al, confecção de mancais, na indústria do aço para controlar a quantidade de carbono. Também é usado como redutores na obtenção de Zr, Cr, Th e U. Elemento essencial á vida, presente funcionamento de músculos e nervos. nos ossos, participa no Dureza da Água Dureza da Água água dura contém bicarbonatos e/ou sulfatos de magnésio e cálcio dissolvidos Classificação da Dureza: Temporária e Permanente Temporária: devido-se à presença de Mg(HCO3)2 e Ca(HCO3)2 Pode ser eliminada pela fervura: 2HCO3-(aq) + calor CO32-(aq) + CO2(g) + H2O(l) CO32-(aq) + Ca2+(aq) CaCO3(s) pode ser eliminada pela adição de cal hidratada: Ca(HCO3)2(aq) + Ca(OH)2(aq) 2CaCO3(s) + 2H2O(l) Dureza da Água Dureza Permanente: Ocorre pela presença de sulfatos de magnésio e/ou cálcio; Não pode ser eliminada pela fervura; A eliminação requer a adição de carbonato de sódio CO32-(aq) + Ca2+(aq) CaCO3(s) Se houver muito Mg2+, pode haver a precipitação na forma de hidróxido: CO32-(aq) + H2O(l) HCO3-(aq) + OH-(aq) Mg2+(aq) + 2OH-(aq) Mg(OH)2(s) Dureza da Água A dureza também pode ser tratada por destilação e passagem por coluna de troca iônica, onde Ca2+ e Mg2+ são substituídos por Na+ Dureza da Água – tratamento por troca iônica A dureza também pode ser tratada por destilação e passagem por coluna de troca iônica, onde Ca2+ e Mg2+ são substituídos por Na+ Dureza da Água – tratamento por osmose reversa Dureza da Água – tratamento por osmose reversa Dureza da Água – tratamento por osmose reversa Dureza da Água Água dura reduz a eficiência da limpeza; Ca2+ e Mg2+ reagem com o sabão (estearato de sódio) = H3C(CH2)16-COO-Na+ e precipitam, prejudicando a formação de micelas; Dureza da Água A dureza pode ainda ser tratada pela adição de complexantes como fosfatos inorgânicos, P2O74- ou P3O105- ou edta = etilenodiaminatetraacetato, que atuam como agentes quelatos formando compostos de coordenação muito estáveis com os íons Ca2+ e Mg2+ e solúveis em água: ânion pirofosfato tripolifosfato de sódio complexo com edta GRUPO 13 GRUPO 13 Ga CQ133 FSN Produção de Alumínio Refino da bauxita (Processo Bayer) e Produção de Alumínio (Processo Hall-Héroult) AlO(OH) = bauxita 2AlO(OH)(s) + 2NaOH(aq) + 2H2O(l) → 2NaAl(OH)4(aq) SiO2(s) + 2NaOH(aq) → Na2SiO3(aq) + H2O(l) Al(OH)4-(aq) + CO2(g) Al(OH)3(s) + HCO3-(aq) Al(OH)3(s) + calor → Al2O3(s) + H2O(g) Al(OH)3(s) + 6HF(g) → [AlF6]3-(aq) + 3H3O+(aq) [AlF6]3-(aq) + 3H3O+(aq) + 3NaOH(aq) + calor → Na3AlF6(s) + 6H2O(g) criolita Na3AlF6(s) + Al2O3 + CaF2 + AlF3 Eletrólise ígnea → Al(l) O Processo Hall-Heroult 1886 –Charles Hall (EUA) e Paul Heroult (França) Al3+ + 3e- → Al(l) 2O2- + C(s) → CO2(g) + 4e10 a 13 kWh / kg de Al 400 células de 8x4x1m 300.000 ton Al / ano ALUMÍNIO 2o metal mais produzido depois do ferro 39.7 bilhões de toneladas/ano baixa densidade, maleável, resistente à corrosão, bom condutor de eletricidade e facilmente reciclado com baixo uso de energia (5% da necessária para sua produção) Forma ligas metálicas com Cu, Zn, Mg, Mn, Si; Ex. Duralumínio: (94%Al, Cu, Mg e Mn) ALUMÍNIO metal estrutural em aviões, navios, automóveis e trocadores de calor; na construção civil (portas, janelas, divisórias); embalagens para bebidas, tubos para creme dental, papel alumínio; fabricação de utensílios de cozinha; fabricação de cabos elétricos; Al(OH)3 é muito usado como antiácido, Al2(SO4)3 é usado no tratamento de água potável. Reação Termita 2Al(s) + 3/2O2(g) Al2O3(s) Cr2O3(s) + 2Al(s) 2Cr(s) + Al2O3(s) GRUPO 14 GRUPO 14 CQ133 FSN Si Sn C Pb Ge diamante grafite Silicatos quartzo SiO2 Zircon ZrSiO4 Willemita Zn2SiO4 Enstatita MgSiO3 Espodumênio LiAl(SiO3)2 Mica (Si2O52-)n Asbestos (Si4O116-)n 1200-3000 OC SiO2(l) + Ccoque(s) → Si(l) + CO2(g) (idem p/ Ge e Sn) 98% puro Purificação para a produção de semicondutores e transistores: Si(s) + 3HCl(g) → SiHCl3(g) + H2(g) (T = 300 OC) SiHCl3(g) + H2(g) → Si(s) + 3HCl(g) (T = 1000 oC) 99,999 % puro (processo Siemens) 2PbS(s) + 3O2(g) → 2PbO(s) + 2SO2(g) (ustulação) PbO(s) + CO(g) → Pb(l) + CO2(g) Cassiterita SnO2 Galena PbS CARBONO E ALOTROPIA grafite grafeno diamante Buckminster fullereno esférico, C60 carbono amorfo Fullereno tubular CARBONO E ALOTROPIA Negro de fumo: combustão incompleta de hidrocarbonetos: pó muito fino que se agrupa aleatoriamente; partículas de 10 a 500 nm; área superficial de 10-500 m2/g Usos: carga de borracha para pneus (cerca de 3kg/pneu) Pigmento negro para tintas e impressoras Carvão ativado: produto sintético obtido pela desidratação química de pó de madeira com ácido fosfórico ou ZnCl2 (1-3 partes para cada parte de serragem) entre 400 a 700 oC. Possui alta área superficial, 300-2000 m2/g Usos: descoloração de produtos naturais como açúcares, óleos, bebidas, no tratamento de água, em filtros de gases e purificadores de ar Fibras de carbono: obtidas pela degradação na ausência de ar, a 300 oC e 1000 oC, de polímeros que não fundem como celulose, algodão, lã, acrilonitrila Usos: confecção de tecidos, redes termorresistentes, reforço em plásticos, produção de materiais extremamente leves e resistentes usados produção de aviões, carros e barcos Principais óxidos do carbono Monóxido de carbono 1. C(s) + 1/2O2(g) + calor CO(g) 2. C(s) + H2O(g) + calor CO(g) + H2(g) gás d’água 3. 2C(s) + O2(g) + 4N2(g) + calor 2CO(g) + 4N2(g) gasogênio Produção industrial de ferro Fe2O3(s) + 3CO(g) 2Fe(s) + 3CO2(g) Principais óxidos do carbono Dióxido de carbono 1. CO(g) + H2O + calor CO2(g) + H2(g) 2. CH4(g) + 2H2O + calor CO2(g) + 4H2(g) 3. Recuperado de processos fermentativos: C6H12O6(s) 2C2H5OH(l) + 2CO2(g) 4. dos gases liberados na calcinação do calcário; CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) 5. dos gases efluentes de usinas termelétricas alimentadas a carvão. 6. CaCO3(s) + 2HCl(aq) CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O(l) APLICAÇÕES APLICAÇÕES APLICAÇÕES Nitrogênio e Fósforo o nitrogênio é obtido em escala industrial liquefazendo-se o ar e então realizando a destilação fracionada; (outros gases industriais são obtidos desta maneira como O2, Ne, Ar, Kr e Xe); o nitrogênio na forma de nitratos (NH4NO3, NaNO3) e NH3 tem sido usados como fertilizantes e constituintes de explosivos; o gás nitrogênio é usado em grandes quantidades como atmosfera inerte; o nitrogênio líquido é usado como agente refrigerante; Nitrogênio e Fósforo fósforo é obtido pela redução de Ca3(PO4)2 com coque, num forno elétrico a 1400-1500 oC, na presença de SiO2: 2Ca3(PO4)2(s) + 10C(s) + 6SiO2(s) 6CaSiO3(s) + P4(s) + 10CO(g) 85% do P4 é empregado na síntese de ácido fosfórico, H3PO4; 10% na fabricação de P4S10 usado na fabricação de organofosforados e P4S3 usado na fabricação de fósforos de segurança: P4 (s) + 5O2(g) P4O10(s) + 6H2O(l) 4H3PO4(l) P4(s) + 10S(s) P4S10(s) P4(s) + 3S(s) P4S3(s) Nitrogênio e Fósforo Nitrogênio é um gás inerte, com uma ligação tripla NN com comprimento 1,09 Å e energia de dissociação de 945 kJ.mol-1; o fósforo branco é mole, bastante reativo e encontrado na forma de moléculas tetraédricas P4; 250 oC fósforo branco fósforo vermelho; fósforo vermelho é um sólido polimérico muito menos reativo que o fósforo branco; (alta pressão) fósforo branco fósforo preto o fósforo preto é uma forma altamente polimerizada e mais estável termodinamicamente; Nitrogênio e Fósforo COMPOSTOS IMPORTANTES Amônia é um gás tóxico e bastante solúvel em água; Usada como fertilizante; na produção de HNO3, N2H4 e uréia; Amônia é uma base fraca: NH3(g) + H2O(l) NH4+ (aq) + OH-(aq) K = 1,8x10-5 Preparação na indústria pelo Processo Haber-Bosch: Fe/200 atm, 450 oC 3H2(g) + N2(g) 2NH3(g) + calor Nitrogênio e Fósforo COMPOSTOS IMPORTANTES Ácido nítrico, HNO3 é o oxoácido mais importante do nitrogênio; É um ácido forte: HNO3(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + NO3-(aq) Obtenção através do Processo Ostwald: oxidação catalítica da amônia a NO, seguida da oxidação do NO a NO2: Pt/Rh/5 atm, 850 oC 4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g) NO(g) + ½O2(g) NO2(g) 3NO2(g) + H2O(g) 2HNO3(aq) + NO(g) NH3(g) + 2O2(g) HNO3(aq) + H2O(g) (reação global) Oxigênio e Enxofre oxigênio constitui 89% em peso das águas dos oceanos; enxofre é o 16o elemento mais abundante e constitui 0,034% em peso da crosta terrestre; a maior parte do oxigênio é produzida pela fotossíntese: 6CO2(g) + 6H2O(g) + energia solar C6H12O6(g) + 6O2(g) oxigênio também ocorre nos óxidos de metais e em oxo-sais como CO32-, SO42-, NO3- e BO33-; enxofre ocorre principalmente na forma de SO42-, S2-, mas também ocorre na forma não combinada; Oxigênio e Enxofre OBTENÇÃO E APLICAÇÕES o oxigênio é obtido industrialmente pela destilação fracionada do ar líquido; maior parte do oxigênio é usada na fabricação do aço; oxigênio é usado também para a obtenção de TiO2 a partir de TiCl4. O TiO2 é usado como pigmento branco em tintas e papéis; oxigênio é usado para oxidar NH3 no processo de obtenção de HNO3 Oxigênio e Enxofre OBTENÇÃO E APLICAÇÕES grandes quantidades do enxofre são obtidas a partir do gás natural e do petróleo pelo oxidação do gás sulfídrico: 2H2S(g) + O2(g) 2S(s) + 2H2O(l) enxofre é encontrado em grandes depósitos subterrâneos pelo processo Frasch, fornecendo S de alta pureza; Ácido sulfúrico OBTENÇÃO E APLICAÇÕES 90% do enxofre é convertido em SO2(g), depois em SO3(g) e finalmente em H2SO4 Pt ou V2O5 SO2(g) + O2(g) SO3(g) SO3(g) + H2SO4 (aq, 98%) H2S2O7(l) ácido pirossulfúrico ou óleum H2S2O7(l) + H2O(l) 2H2SO4(l) Ácido sulfúrico Aplicações a) fabricação de fertilizantes; b) sulfonação de ácidos graxos fab. de detergentes; c) fabricação de tintas; d) na limpeza de metais; e) no refino do petróleo; f) é o eletrólito das baterias de chumbo; g) um oxidante relativamente forte ; h) absorve água com avidez usado como agente dessecante para gases; Oxigênio e Enxofre OBTENÇÃO E APLICAÇÕES enxofre reage com alcenos formando ligações cruzadas importantes para a vulcanização da borracha; CH3 S S H3C H H3C C=C CH2 H2C H + C=C CH2 H2C n C H2 S S S S S C H2 C CH3 C H C H2 C H2 C C H C H2 C H2 C H2 S S S CH3 S CH3 S C H C H2 C H2 C C H C H2 C H2 C C H C H2 S S CH3 S CH3 C C H C H2 C H2 C C H CH3 C H2 C H2 C C H C H2 S n HALOGÊNIOS CQ133 FSN F2 2 2 2 Produção de F2(g): CaF2(s) + H2SO4(aq) → CaSO4(s) + 2HF(g) eletrólise ígnea 2HF (em KF fundido) → H2(g) + F2(g) Produção de Cl2(g): eletrólise de salmoura 2NaCl(aq) + 2H2O(l) → 2NaOH(aq) + Cl2(g) + H2(g) eletrólise ígnea 2NaCl(l) → 2Na(s) + Cl2(g) Produção de Br2(l): pH = 3,5 2Br-(aq) + Cl2(aq) → 2Cl-(aq) + Br2(aq) Produção de I2(s): 2I-(aq) + Cl2(aq) → 2Cl-(aq) + I2(s) ou 2IO3-(aq) + 5HSO3-(aq) → I2(s) + 5SO42-(aq) + 3H+(aq) + H2O(l) HALOGÊNIOS – USOS Flúor a produção de flúor só se tornou importante com o início da fabricação de fluoretos inorgânicos como NaF a indústria nuclear consome 75% do flúor produzido usado no processamento de urânio; UO2 + 4HF UF4 + 2H2O UF4 + F2 UF6 UF4 + ClF3 UF6 + ClF os fluoroalcenos podem ser polimerizados: 500-1000 oC 2CHClF2 CF2=CF2 + 2HCl os polímeros podem ser óleos e graxas ou sólidos de alta massa molar como o politetrafluoreteno (PFTE) ou Teflon é inerte quimicamente e isolante elétrico, usado como revestimento de utensílios de cozinha; HALOGÊNIOS – USOS Flúor os freons são clorofluorocarbonetos mistos como por ex.: CClF3, CCl2F2 e CCl3F são fluidos refrigerantes não-tóxicos e propelentes de aerossóis flúor é usado na fabricação de SF6, um gás inerte, usado como isolante elétrico em equipamentos de alta tensão; pequenas quantidades do íon fluoreto, F-, na água potável (cerca de 1 ppm) reduzem as cáries nos dentes conversão da hidroxiapatita, [3(Ca3(PO4)2)·Ca(OH)2] em fluoroapatita, [3(Ca3(PO4)2)·CaF2] mais dura; Cloro cloro é usado para o branqueamento de polpa de papel, tratamento de água, produção de HCl, de sais inorgânicos como NaClO e de policloreto de vinila (PVC): CH2=CH2 + Cl2 CH2Cl-CH2Cl (cat = FeCl3) CH2Cl-CH2Cl HCl + CH2=CHCl (T= 500 oC) HALETOS DE HIDROGÊNIO HF CaF2(s) + H2SO4(aq) → CaSO4(s) + 2HF(g) USOS usado na produção de clorofluorocarbonetos (freons) ou CFC usados como fluidos refrigerantes e propelentes de aerossóis: condições anidras / SbCl5 CCl4 + 2HF CCl2F2 + 2HCl empregado na produção de AlF3 e criolita sintética, empregados na obtenção de alumínio; usado no processamento de urânio; usado como catalisador de reações de alquilação na indústria petroquímica; usado no tratamento do aço, para gravar vidro, fabricar herbicidas; HALETOS DE HIDROGÊNIO HCl HCl de alta pureza é obtido pela combinação direta dos elementos: H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) (na indústria) grandes quantidades de HCl impuro são obtidas como subproduto da indústria orgânica pesada. Ex. na conversão de 1,2-dicloroetano, ClCH2-CH2Cl, em cloreto de vinila, CH2=CHCl. 2NH4Cl + H2SO4 2HCl + (NH4)2SO4 (no laboratório) USOS limpeza de metais remoção de camadas de óxidos galvanoplastia na obtenção de cloretos de metais e de corantes; neutralização de bases
