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Química Aplicada ao Ambiente
Química dos Elementos MetálicosValentim M B Nunes
Unidade Departamental de Engenharias
Instituto Politécnico de Tomar, maio,2014
CET: ESTTQA-TMR1
Química dos elementos metálicosTodos os elementos podem ser classificados em metálicos, não-metálicos 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).
OcorrênciaA 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 metalúrgicosA 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
Os processos mais importantes são realizados a altas temperaturas num processo conhecido como pirometalurgia.
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
2 PbS(s) + 3 O2(g) 2 PbO(s) + 2 SO2(g)
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.
Ferro fundido
3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2
CaCO3 CaO + CO2
Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2
C + CO2 2 CO
FeO + CO Fe + CO2
Metais alcalinos
São os elementos menos electronegativos. Estado de oxidação +1. Possuem pontos de fusão e densidade baixas.
Sódio (Na)
Ocorrência: NaAlSi3O8 (albite); NaCl; NaNO3(nitrato do Chile)
Obtenção: electrólise do NaCl fundido (pilha de Downs)
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 águaA “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)
AplicaçõesAlumínio: 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.