CQ093 Quimica dos Elementos. Propriedades Gerais

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=
4odo 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 NN 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