Elementos do Bloco “p” Família do Nitrogênio

18/01/2014
Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri
Bacharelado em Ciência e Tecnologia
Diamantina - MG
Elementos do Bloco “p”
Profa. Dra. Flaviana Tavares Vieira
[email protected]
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Família do Nitrogênio
Características Gerais
-Configuração eletrônica da camada de valência:
ns2np3
-Estado de valência máxima: 5 (situação na qual utilizam todos
os 5 elétrons para formar ligações);
-A tendência do par de elétrons s de permanecer inerte cresce
com o aumento da massa atômica. Nesses casos, somente os
elétrons p são utilizados para formar ligações, logo, valência
= 3.
-Todos são sólidos em condições normais, exceto o nitrogênio.
Sb
Características Gerais
-A maioria dos compostos formados pelos elementos desse
grupos são covalentes.
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Características Gerais
-s2p3: 3 elétrons desemparelhados formam ligações sigma com 3
outros átomos; 4 pares de elétrons levam a uma estrutura
tetraédrica com uma posição ocupada por um par isolado.
Reatividade:
-N: bastante inerte
por isso acumulou-se em grandes quantidades na atmosfera
Caráter Metálico:
-aumenta de cima para baixo no grupo, assim o N e o P são nãometais, As e Sb são metalóides e Bi é o metal verdadeiro.
-o aumento do caráter metálico fica evidente nos seguintes aspectos:
-a aparência e estrutura dos elementos;
-na tendência de formar íons positivos;
-na natureza de seus óxidos. Os óxidos metálicos são básicos,
enquanto que os óxidos dos elementos não-metálicos são ácidos.
Logo, óxidos de N e P são ácidos, óxidos de As e Sb são anfóteros e
óxidos de Bi são básicos.
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-P branco: se inflama quando exposto ao ar, formando P4O10.
Para impedir essa reação ele é armazenado sob água.
-P vermelho: estável ao ar à temperatura ambiente, embora reaja
quando aquecido.
-As: estável em ar seco, mas perde o brilho quando em ar úmido,
assumindo inicialmente uma cor bronze e depois preta.
-Sb: menos reativo, sendo estável frente a água e ao ar à T ambiente
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Características Gerais
Hidretos:
-Todos esses elementos formam hidretos voláteis de fórmula MH3;
-Todos são gases tóxicos;
-Todos tem cheiro desagradável;
-Descendo no grupo, do NH3 ao BiH3, observa-se:
-a preparação de hidretos torna-se cada vez mais difícil;
-a estabilidade diminui;
-o poder redutor aumenta;
-a substituição de átomos de H por outros átomos de Cl ou CH3,
torna-se cada vez mais difícil.
-diminui a capacidade dos mesmos de atuar como doador de
elétrons, usando o par de elétrons isolado para formar ligações
coordenadas.
Nitrogênio (N)
7N
Configuração eletrônica: 1s² 2s² 2p3
-Suas combinações são componentes vitais de alimentos,
fertilizantes, e explosivos.
-Gás de nitrogênio: é incolor, inodoro e geralmente inerte.
-Como um líquido é também incolor e sem cheiro.
Histórico:
O nitrogênio foi descoberto em 1722,
por Priestley.
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Ocorrência Natural:
Nitratos
-É encontrado em todos os organismos vivos.
-O nitrogênio gasoso N2 representa 78,084% da atmosfera
terrestre em volume e 75,5% em peso.
-É detectado em estrelas, em espaços interestelares, em
atmosferas de planetas e outros astros.
Modos de Obtenção:
-A destilação fracionada do ar liquefeito é o processo básico.
-É normalmente subproduto da produção de oxigênio para
fins industriais e medicinais.
-Era a maior fonte de nitrato até a 1ª Guerra Mundial, quando
foram desenvolvidos processos sintéticos para a produção de
nitratos a partir do N da atmosfera.
Como funciona um air bag?
Azonetos
-Azoneto de sódio (NaN3) pode ser
termicamente, sendo usado para inflar air-bags.
-Todos os nitratos são muito solúveis em água, de modo que
não são comuns na crosta terrestre, embora sejam encontrados
depósitos em regiões desérticas. O maior deles é um cinturão
de cerca de 720 Km de extensão ao longo do litoral norte do
Chile, onde NaNO3 (salitre do Chile) é encontrado, debaixo
de uma fina camada de areia ou solo.
decomposto
Ilustrações de air bags.
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Inflando um air bag.
(1) NaN3(s) → 2Na(s) + 3N2(g)
(2) 10Na(s) + 2KNO3(s) → K2O(s) + 5Na2O(s) + N2(g)
(3) K2O(s) + Na2O(s) + SiO2(s) → silicato alcalino
Esquema de funcionamento de um air bag.
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Principais usos:
-Produção de amônia e ácido nítrico;
-Refino de petróleo;
-Produção de fertilizantes, plásticos e explosivos;
-Processamento de metais e alimentos;
-Formação de atmosfera inerte (devido à sua baixa
reatividade é usado em tanques de armazenamento de
líquidos explosivos);
-Fluido refrigerante;
-Constituinte de biomoléculas;
-Nitrogênio líquido, obtido pela
destilação fracionada do ar liquefeito,
é usado como fluido refrigerante em
diversas situações.
Nitrogênio líquido
• Com essa criação Fritz Haber (1868-1934) ganhou o prêmio
Prêmio Nobel de Química, em 1918, por ter desenvolvido um
método eficaz de síntese da amônia.
• O processo criado por Haber permitiu que a Alemanha
reduzisse consideravelmente o custo de fabricação de
explosivos durante a primeira guerra mundial.
• Ele observou que a amônia, por oxidação, produz o acido
nítrico – essencial para a produção de pólvora.
• Apesar dos serviços prestados à pátria, Haber, por ser judeu,
foi perseguido pelos nazistas, tendo de fugir da Alemanha, em
1933, para não ser morto por seus compatriotas.
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Produção da Amônia (NH3)
Histórico
•Amônia era produzida por meio
processos com baixo rendimento (10% a
20%);
•Necessidade de expansão da produção
devido ao início da primeira guerra
mundial;
•O químico Fritz Haber (1868-1934) e o
engenheiro William Carl Bosch (18741940) criaram um processo no qual
conseguiram sintetizar a amônia a partir
de seus elementos constituintes.
•Fórmula molecular: NH3
• É preparada em grandes quantidades pelo processo de Haber e
é encontrada em pequenas quantidades na atmosfera, como
resultado da decomposição bacteriana de matéria orgânica na
ausência de ar.
•É um gás tóxico, que se condensa formando um líquido
incolor a 33ºC. Esse líquido se assemelha à água em suas
propriedades físicas, inclusive na capacidade de atuar como
solvente de uma grande série de substâncias.
• Muito solúvel em água (as moléculas de NH3 podem formar
ligações de hidrogênio com as moléculas de água).
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Processo Haber-Bosch
•Haber descobriu como combinar diretamente, em laboratório,
N2 e H2.
•Bosch desenvolveu os equipamentos necessários para a
produção industrial de amônia.
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
Processo Haber - condições de equilíbrio
•TEMPERATURA: A formação do amoníaco é um processo
exotérmico, ou seja, ocorre com desprendimento de calor. Portanto,
baixas temperaturas favorem a produção do NH3. Por outro lado, a
redução da temperatura diminui a velocidade da reação. Experiências
demonstraram que a temperatura ideal é a de 500ºC.
•PRESSÃO: Em virtude do volume de amônia formada ser menor que
o volume de N mais o do H, o aumento de pressão – de acordo com o
“Princípio de Le Chatelier”, leva a uma maior porcentagem de
amoníaco no equilíbrio. A pressão é mantida em torno de 200 atm.
•CATALISADOR: A velocidade da reação deve ser aumentada, pois o
H e o N isolados reagem muito lentamente. O catalisador acelera a
velocidade da reação para atingir o equilibrio, sem afeta-lo e a
temperaturas mais baixas. No início, para a reação Haber-Bosch ,
usava-se o ósmio e urânio como catalisadores. Passou-se então a
utilizar o ferro, cuja ação catalítica é mais eficiente
•Fertilizantes;
(sulfato de amônio, fosfato de amônio, nitrato de amônio e uréia.)
• Reagentes para outros processos;
Fósforo (P)
15P
-Configuração eletrônica: [Ne] 3s² 3p3
-Existe em várias formas alotrópicas inclusive
branco (ou amarelo), vermelho e preto (ou violeta).
(ácido nítrico (utilizado na preparação de explosivos)
•Polímeros;
(plásticos, nylon, poliamidas, e outras fibras)
Histórico:
-O fósforo foi isolado pela primeira vez em 1669,
pelo alquimista alemão Hennig Brand que o
preparou a partir da destilação da urina.
•Produtos de limpeza;
(detergentes e amaciadores de roupa.)
Ocorrência Natural:
-Minérios de fosfato (fonte habitual para fósforo
comercialmente produzido).
-Cerca de 90% das rochas fosfáticas são usadas
diretamente na fabricação de fertilizantes e o restante é
usado na fabricação de fósforo e ácido fosfórico.
-Cerca de 60% dos ossos e dos dentes são constituídos por
Ca3(PO4) 2 ou [3(Ca3(PO4) 2.CaF2];
-Um indivíduo de peso médio possui em seu organismo
cerca de 3,5 kg de fosfato de cálcio.
-DNA e RNA
-ATP
-O P é sólido à temperatura ambiente.
-O P branco é mole, de aspecto ceroso e bastante reativo, reage
com o ar úmido desprendendo luz (quimioluminescência). Ele se
inflama espontâneamente no ar a cerca de 35oC, sendo
armazenado sob água para impedir esta reação. É extremamente
tóxico e pode ser encontrado em forma de moléculas P4
tetraédricas.
-Se o P branco for aquecido a cerca de 250oC ou a uma
temperatura menor na presença de luz solar, forma-se o P
vermelho. Trata-se de um sólido polimérico, muito menos reativo
que o fósforo branco. É estável ao ar e não sofre ignição, a não ser
mediante aquecimento a 400oC. Não é necessário armazená-lo sob
água.
-O P preto pode ser obtido. Trata-se de uma forma altamente
polimerizada de P pode ser obtido aquecendo-se o P branco, a
pressões elevadas. Essa é a forma alotrópica termodinamicamente
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mais estável. É inerte.
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-Agricultura: sua importância para essa área provém do
ácido fosfórico, que pode formar fosfatos - estes que são
empregados na fabricação de fertilizantes.
Principais usos:
-Bioquímica: o fósforo tem relevante papel na formação
do ATP, além de funcionar como íon tampão.
-Uso em pirotecnia e bombas;
-Fabricação de aços e ligas;
-Produtos de limpeza;
-Fertilizantes;
-Constituinte de biomoléculas.
-Coca-Cola: o ácido fosfórico (H3PO4) é constituinte da
coca-cola, sendo este um dos responsáveis pelo baixo
valor do pH dessa bebida.
Reação de fósforo branco com O2.
O Palito de fósforo é um artigo, curto,
fino, feito de madeira e geralmente
fósforo vermelho (geralmente o
trissulfuretofosfórico - P4S3) em uma
das extremidades e que quando entra
em atrito com outros objetos de
superfícies ásperas se decompõe e arde
diante de baixas temperaturas e
incendeia
os
demais
produtos
produzindo fogo.
Foi nos Estados Unidos que Alonzo D. Phillips de Springfield
obteve, em 1836, uma patente para “fabricar fósforos de fricção”.
Mas o perigo ainda era grande e só foi resolvido após a descoberta
do fósforo vermelho, em 1845. Em 1855 foi introduzido o fósforo
seguro ou fósforo de segurança. Além de ser fabricado com
fósforo vermelho, para uma maior segurança, seus ingredientes
inflamáveis foram colocados em 2 locais distintos: na cabeça do
palito e do lado de fora da caixa, junto com o material abrasivo. 27
33As
Arsênio (As)
-Configuração eletrônica: [Ar] 3d104s2 4p3
-O elemento é um aço cinzento, muito frágil, cristalino,
semi-metálico (metalóide) sólido.
-Quando aquecido, oxida a óxido de arsênio que tem um
odor semelhante a alho.
-Arsênio e suas combinações são tóxicas.
Histórico:
-Foi isolado no século XIII, por
Roger Bacon.
Modos de Obtenção:
Ocorrência Natural:
-É encontrado na natureza em vários minerais
inclusive realgar (As4S4), orpimento (As2S3),
arsenolite (As2O3), os 2 últimos são encontrados em
áreas vulcânicas.
-Pode ser obtido industrialmente pelo aquecimento de
arsenetos como NiAs, NiAs2, FeAs ou arsenopiritas (FeAsS),
a cerca de 700 C, na ausência de ar, então As sublima,
deixando o sulfeto ferroso.
o
4FeAsS
As4(g) + 4 FeS
Principais usos:
Realgar (As4S4)
Arsenopirita - FeAsS
Orpimento – As2S3
-Dopante em componentes de circuitos;
-LED
-Uso em produtos tóxicos.
As metálico: ligas de chumbo para torná-lo mais duro
-Medicina: combate a parasitas
-Evitar o apodrecimento da madeira
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Antimônio (Sb)
51Sb
-Configuração eletrônica: [Kr] 4d10 5s2 5p3
-É um pobre condutor de calor e eletricidade.
-Tem aspecto prata e algumas propriedades físicas
similares às dos metais.
Histórico:
-Compostos de antimônio eram conhecidos desde 3000
a.C. por chineses e babilônios, sendo descoberto em
1450 por Johann Thölde.
Ocorrência Natural:
-É pouco abundante (0,2 a 0,5 ppm estimados
na crosta terrestre), mas ocorre em cerca de 100 espécies
minerais.
Modo de Obtenção:
-Pode ser isolado pela redução do seu sulfeto com ferro, de
acordo com a reação:
Sb2S3 + 3Fe → 2Sb + 3FeS
Principais usos:
-Uso em semicondutores;
-Retardante de chama;
-Ligas de Sn e Pb;
-Usado como camada protetora por eletrodeposição (para
impedir a ferrugem).
Compostos:
Algumas reações...
Antimonetos: São os compostos binários
formados pelo Sb.
Estibina (SbH3): Hidreto do Antimônio.
Reação com água (sob aquecimento):
2Sb + 3H2O → Sb2O3 + 3H2
Haletos de Antimônio: utilizados em síntese. Ex:
SbCl3.
Reação com oxigênio (sob aquecimento):
4Sb + 3O2 → 2Sb2O3
Organometálicos: os compostos altamente tóxicos.
Ex: C5H5Sb.
Reação com halogênios:
2Sb + 3X2 → 2SbX3
Ullmannita - Sb2S3
Bismuto (Bi)
83Bi
-Configuração eletrônica: [Xe]
4f145d106s26p3
-Está disponível em várias formas (pó, pedaços, tira).
-Sua condutividade térmica é mais baixa que qualquer metal
(exceto o mercúrio).
-Tem uma resistência elétrica alta.
Histórico:
Antimonita - NiSbS
Valentinite - Sb2O3
Ocorrência Natural:
-É encontrado em grande parte como bismite (Bi2O3),
bismuthinite (Bi2S3) e bismutite [(BiO)2CO3].
Modos de Obtenção:
-Geralmente é obtido a partir das poeiras de exaustão
provenientes da calcinação de PbS, ZnS e CuS e pode
ser reduzido a metal com carbono.
Foi descoberto em 1753, por Claude
Geoffroy the Younger.
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Principais usos:
-Ligas de baixo ponto de fusão (com estanho e cádmio)
para fusíveis e detectores de chama.
-Catalisador para produção de fibras de acrílico.
-Pigmentos de tintas para pinturas artísticas.
-Produção de aços maleáveis.
Compostos:
-Haletos de Bismuto: Utilizados em síntese. Ex: BiCl3.
-Organometálicos: Os compostos altamente tóxicos.
Ex: C5H5Bi.
Referências Bibliográficas
-SHRIVER, D.F.; ATKINS, P.W. Química Inorgânica.
4ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2011.
-LEE, J. D. Química inorgânica não tão concisa. 5.ed.
São Paulo: Edgard Blucher, 1999.
-ATKINS, P.W.; JONES, L. Princípios de Química. 3ª
ed. Porto Alegre: Bookman, 2007.
-ALVES, P.A. Guia dos elementos químicos.
Publicação Quilab Produtos de Química Fina. 2008.
http://www.mmm.org.br/index.php?p=8&c=728&pa=pf&pf=511
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