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

A importância do setor industrial na economia

Fonte: Abiquim

O Brasil é hoje a 8a economia do mundo e a 1a da América Latina

A indústria contribui:

com 22% do PIB

50% das exportações

66% do investimento do setor privado em P&D

30% da contribuição fiscal

A indústria química brasileira

Fonte: Abiquim

POSIÇÃO DE DESTAQUE

US$ 119,6 bilhões

faturamento

líquido em 2017

US$ 58,1 bilhões

produtos

químicos de uso

industrial 2017

3o maior PIB da indústria

10,4% 2017

2,5% do PIB Brasil

400 mil Empregos

diretos

2 milhões empregos

indiretos

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

Faturamento da indústria química brasileira por segmento em 2017 (US$119,6 bilhões)

Fonte: Abiquim

Utilização da capacidade instalada (UCI) da indústria química brasileira

Fonte: Abiquim, CNI

A indústria química mundial

Fonte: Abiquim

8a

Onde estão os produtos químicos?

Onde estão os produtos

químicos?

Classificação dos produtos

químicos

Classificação dos produtos

químicos

A indústria química brasileira

Fonte: Abiquim, Abiplast e Braskem

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)

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

Eletrólise Ígnea de Cloreto de Sódio

Na+(NaCl) + e- → Na(s)

2Cl-(NaCl) → Cl2(g) + 2e-

Célula de Downs

GRUPO 1 - METAIS ALCALINOS

OBTENÇÃO

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-

GRUPO 1 – A INDÚSTRIA CLORO-ÁLCALIS

Produção de soda cáustica

HR

NA zA zB e2

1 - d

do

A=4odo

NaOH - Aplicações

Célula de cátodo de mercúrio Célula de diafragma

GRUPO 1 – Produção de hidróxido de sódio

Célula de membrana

NaOH(aq)

50%

NaOH(aq)

12%

NaOH(aq)

30%

BARRILHA OU SODA LEVE

MÉTODO SOLVAY

Ernest 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)

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 nos ossos, participa no

funcionamento de músculos e nervos.

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 CO3

2-(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

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

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 P3O10

5- ou edta =

etilenodiaminatetraacetato, que atuam como agentes quelatos

formando compostos de coordenação muito estáveis com os íons

Ca2+ e Mg2+ e solúveis em água:

Dureza da 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)

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 Eletrólise ígnea Na3AlF6(s) + Al2O3 + CaF2 + AlF3 → Al(l)

AlO(OH) =

bauxita

Al3+ + 3e- → Al(l)

2O2- + C(s) → CO2(g) + 4e-

O Processo Hall-Heroult

1886 –Charles Hall (EUA) e Paul Heroult (França)

10 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.

2Al(s) + 3/2O2(g) Al2O3(s)

Reação Termita

Cr2O3(s) + 2Al(s) 2Cr(s) + Al2O3(s)

GRUPO 14

GRUPO 14

C

Si

Ge

Sn

Pb

diamante

grafite

CQ133

FSN

Silicatos

quartzo

SiO2 Willemita

Zn2SiO4

Enstatita

MgSiO3

Espodumênio

LiAl(SiO3)2

Zircon

ZrSiO4

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)

Galena

PbS

Cassiterita

SnO2

CARBONO E ALOTROPIA

grafite

diamante

Buckminster fullereno esférico, C60 Fullereno tubular carbono amorfo

grafeno

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

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

Principais óxidos do carbono

Produção industrial de ferro

Fe2O3(s) + 3CO(g) 2Fe(s) + 3CO2(g)

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)

Principais óxidos do carbono

APLICAÇÕES

APLICAÇÕES

APLICAÇÕES

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)

Nitrogênio e Fósforo

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-, SO4

2-, NO3- e BO3

3-;

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;

Oxigênio e Enxofre

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;

Ácido sulfúrico

OBTENÇÃO E APLICAÇÕES

enxofre reage com alcenos formando ligações cruzadas importantes

para a vulcanização da borracha;

Oxigênio e Enxofre

S

S S

S

S

S S

S

C=C

CH2

H3C H

H2C

C=C

CH2

H3C H

H2C

n

+

C C C

CH3

C C C C C C

S

CH3

H2 H2 H2 H2 H2H H

S

S

CH

C C C

CH3

C C C C C C

S

CH3

H2 H2 H2 H2 H2H HCCH

CH3

n

C C C

CH3

C C C C C C C C

S

S CH3

H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2H H

S

S

F 2 2

2 2

HALOGÊNIOS

CQ133

FSN

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

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;

Flúor

HALOGÊNIOS – USOS

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 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)

Flúor

Cloro

CaF2(s) + H2SO4(aq) → CaSO4(s) + 2HF(g)

HF

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 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

HCl

HALETOS DE HIDROGÊNIO