PARTE 5_QFL2143_2013

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17/09/2013 
1 
OXIGÊNIO E NITROGÊNIO 
Química dos Elementos 
OCORRÊNCIA DO OXIGÊNIO E NITROGÊNIO 
Litosfera Organismos 
 vivos 
Hidrosfera 
ATMOSFERA 
49,5% de oxigênio 
(sílica, silicatos, 
CO3
2-, PO4
3- etc.) 
0,03% de nitrogênio 
(nitratos de Na+ e K+) 
Biomoléculas 
carboidratos, 
proteínas (15% de N 
 em massa), 
 óleos e gorduras, 
DNA e RNA etc. 
Espécies H2O, CO2, 
CO3
2-, PO4
3- etc. 
75,5% de N2 e 23,2% de O2 (em massa) 
78,1% de N2 e 21,9% de O2 (em volume) 
 
IMPORTANTES GASES INDUSTRIAIS! 
Principal fonte 
para a indústria 
85% de oxigênio 
na forma 
combinada 
Química dos Elementos 
Química dos Elementos 
Composição da atmosfera 
 (ar seco, % em volume) 
N2 78,084 
O2 20,948 
Ar 0,934 
CO2 0,0315 
Ne 1,818x10-3 
He 5,24x10-4 
Kr 1,14x10-4 
Xe 8,7x10-6 
CH4 ~1,5x10
-4 
H2 ~5x10
-5 
outros gases 
ATMOSFERA 
DA 
TERRA 
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NITROGÊNIO e OXIGÊNIO 
Configuração eletrônica 
 da camada mais externa 
Massa atômica 
1a. Energia Ionização/kJ/mol-1 
Afinidade eletrônica / kJ mol-1 
 
Eletronegatividade (escala Pauling) 
 
2s2 2p3 2s2 2p4 
 1403 1314 
 +31 - 142 (O- = +702) 
3,0 3,5 
14,0067 15,9994 
 N O 
Ponto de fusão / oC 
Ponto de ebulição / oC 
Energia de Dissociação / kJ mol-1 
Momento dipolar (debye) 
Distância interatômica / pm 
-210,0 - 218,8 
945,4 493,4 
0 0 
-195,8 -183,0 
 N2 O2 
109,8 120,7 
AS MOLÉCULAS E SUBSTÂNCIAS DE NITROGÊNIO E DE OXIGÊNIO 
Gases incolores, inodoros e insípidos 
O2 
OXIGÊNIO LÍQUIDO - AZUL , PARAMAGNÉTICO 
N2 
NITROGÊNIO, DIAMAGNÉTICO 
Química dos Elementos 
inércia química 
Química dos Elementos 
ESPÉCIES DE OXIGÊNIO 
OM do O2 
O2
+ 
O2 
O2
- 
O2
2- 
2,5 
2 
 
1,5 
 
1 
O2[AsF6] 
O2(g) 
K[O2] 
Na2[O2] 
H2O2(s) 
112,3 
120,7 
128 
149 
145,3 
625,1 
490,4 
------- 
204,2 
213,0 
Espécie O. L. Composto d (O-O) E ligação 
 (pm) (kJmol-1) 
s*2p
p*2p
p2p
s2p
s*2s
s2s
O O O O O O
2
oxigênio superóxido peróxido 
17/09/2013 
2 
NN
NN
Fe
II
GRUPO HEME Química dos Elementos 
TRANSPORTE DE O2 NOS SERES VIVOS: PROTEÍNAS 
HEMOGLOBINA 
Metaloproteína de ferro 
H2O O2 
Respiração (DG<0) 
Cada molécula 
de hemoglobina: 
4 unidades de Fe(II) 
O
Fe
O
N(histidina)
FORMAS ALOTRÓPICAS DO OXIGÊNIO 
Química dos Elementos 
Molécula triatômica angular; gás azul, diamagnético, odor 
pungente, instável, forte oxidante; tóxico se conc. > 0,1 ppm 
O
O O
O
O O
127,8 pm 
(O. L. ~1,5) 
116,8o 
O O
O2 
Molécula 
diatômica 
120,7 pm 
 2 O3(g)  3 O2(g) 
 
DHo = - 142,7 kJ mol-1 
 
DGo = - 163,2 kJ mol-1 
 
reação lenta... 
3 O2(g)  2 O3(g) 
 
DHo = + 142,7 kJ mol-1 
 
DGo = + 163,2 kJ mol-1 
O3 
 
OZÔNIO 
O que explica a 
existência do ozônio??? 
 Sobrevive milisegundos 
Química dos Elementos 
 
3 O2 (g)  2 O3(g) 
 
OCORRÊNCIA DO OZÔNIO Troposfera 
natural: relâmpagos; 
antropogênico: 
“smog fotoquímico” 
Estratosfera 
 CAMADA DE OZÔNIO 
camada de ~ 28 km 
~5 moléculas de O3 p/ 
1 milhão de O2 
faísca elétrica 
 ou luz UV 
RADIAÇÃO SOLAR
UV-C UV-B UV-A
200-290 nm 290-320 nm 320-400 nm
severos danos queimaduras; bronzeamento;
à pele; câncer de pele; envelhecimento 
câncer de pele catarata prematuro
Energia da radiação
Radiações bloqueadas
pela camada de O3
Substâncias envolvidas na destruição 
da CAMADA DE OZÔNIO 
 
Clorofluorcarbonetos-CFC’s (compostos voláteis 
contendo 1 ou 2 carbonos e ligações C-Cl e C-F) ; 
HCFC’s (inclui ligações C-H) 
; 
halônios (C-Cl e C-Br); CH3Br (inseticida); CH3Cl, CCl4 
(solventes) 
PAPEL PROTETOR DA CAMADA DE OZÔNIO
CICLO IDEALIZADO
O2  2 O
l < 242 nm
quebra ligação O=O
O2 + O  O3
O3 + O  2 O2
lab < 320 nm
“FILTRO SOLAR”
Reação global:
O2  2O
O2 + O  O3
O3 + O  2 O2 
USOS DO OZÔNIO 
Tratamento primário de 
 águas de superfície 
Tratamento de efluentes 
(ação desinfetante) 
Tratamento de poços artesianos, 
caixas d’água, piscinas etc. 
Indústria farmacêutica, 
de bebidas e alimentos 
(ozonólise, agente de 
branqueamento etc.) 
Desinfetante 
Tratamento do ar 
 (conc< 0,001ppm) 
(centros cirúrgicos etc.) 
Química dos Elementos 
PROBLEMAS DO OZÔNIO 
Irritante para mucosas 
Causa dores de cabeça, catarata 
Tóxico (leucemia) 
Danoso para plantas 
 (oxida aminoácidos) 
Ataca pneus automotivos 
Ataca borrachas - ozonólise 
FIXAÇÃO DO NITROGÊNIO ATMOSFÉRICO 
FIXAÇÃO INDUSTRIAL 
Processo Haber-Bosch 
Queimadas 
relâmpagos 
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NITROGENASES 
Metaloenzimas 
 (Fe/Mo, Fe/V, Fe/Fe) 
Fixação do N2 por bactérias e algas 
Bactéria R h i z o b i u m 
(leguminosa - feijão, soja etc.) 
N2 NH3 FIXAÇÃO BIOLÓGICA DO 
NITROGÊNIO ATMOSFÉRICO 
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Decomposição catalítica de sol. 30% de H2O2: 
 H2O2(aq)  O2(g) + 2 H
+(aq) + 2e- 
 H2O2(aq) + 2 H
+(aq) + 2e-  2 H2O(l) 
 2 H2O2(aq)  O2(g) + 2 H2O(l) 
OBTENÇÃO DO OXIGÊNIO EM LABORATÓRIO 
Decomposição de oxiânions: 
2 KClO3(s)  2 KCl(s) + 3 O2(g) 
D 
Eletrólise da água (sol. 30% de KOH): 
pólo (+): 4 OH-(aq)  O2(g) + 2 H2O + 4e- 
pólo (-): 4 H2O + 4e-  2 H2(g) + 4 OH
-(aq) 
 2 H2O  O2(g) + 2 H2(g) 
17/09/2013 
3 
Química dos Elementos 
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Top 20 EUA (2002)
Óxido de Etileno
Cumeno
HCl
Estireno
Etil Benzeno
 
NH
4
NO
3
HNO
3
Benzeno
Urea
NaOH
Dicloro Etileno
H
3
PO
4
/P
2
O
5
Cl
2
NH
3
H
2
Propileno
O
2
Etileno
N
2
H
2
SO
4
Quantidade Produzida / toneladas
C&EN, junho de 2002 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 
11 
12 
13 
14 
15 
16 
17 
18 
19 
20 
Os 20 produtos químicos 
 produzidos em maior quantidade 
 nos EUA em 2002 
 
 OXIGÊNIO 
 
 NITROGÊNIO 
 
 HÉLIO 
 
 ARGÔNIO 
 
 HIDROGÊNIO 
 
 OUTROS 
 
 G A S E S 
I N D U S T R I A I S 
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SEPARAÇÃO DOS COMPONENTES DO AR ATMOSFÉRICO 
Método Criogênico 
(tradicional) 
Métodos não-criogênicos 
(novas tecnologias) 
~85% da produção de gases 
Vantagens: produção de grandes 
 volumes, alta pureza (> 99.9%) 
Vantagens: produção “on site”, 
simplicidade, baixo consumo 
 de energia, baixo custo 
OBTENÇÃO INDUSTRIAL 
AR ATMOSFÉRICO 
Redução de 
 temperatura 
(~ -195,6oC) 
Compressão 
Remoção de 
 contaminantes 
(H2O, CO2, HCs) 
Filtragem 
Destilação 
fracionada 
O2 
(parte inferior 
da coluna) 
N2 
(topo da coluna) 
Química dos Elementos 
Carl von Linde 
1895 
Química dos Elementos 
SEPARAÇÃO DO O2 
DO AR ATMOSFÉRICO 
MÉTODOS NÃO-CRIOGÊNICOS 
Zeólita (aluminossilicato) 
Sólido poroso 
adsorvente 
Entrada do ar 
filtrado, resfriado 
(P > Patm) 
O2 (90-95%) 
(gás não adsorvido) 
N2, água, CO2, HC’s (adsorvidos) 
(N2 é adsorvido 
preferencialmente – 
interação elétrica - cargas) 
10-50 t O2/dia) vácuo
ADSORÇÃO
DESSORÇÃO
Ar pressurizado
adsorvente 
Entrada do ar 
resfriado 
(alta pressão) 
N2 (97-99,9%) 
O2 
5-100 t N2/dia) 
SEPARAÇÃO DO N2 
DO AR ATMOSFÉRICO 
Tipo especial de carvão ativo (sólido amorfo)! 
Separação com base na seletividade pelo 
 tamanho (O2 é um pouco menor que N2 )  
 O2 se difunde p/ microporos, 
ficando retido no CMS 
CMS (carbon molecular sieve) 
Peneira molecular de carbono 
Química dos ElementosAPLICAÇÕES DO 
OXIGÊNIO GASOSO 
Produção de metais: 
principalmente o AÇO 
Manufatura 
do vidro 
Indústria química 
(produção de TiO2, 
 óxido de etileno etc.) 
Área ambiental 
(tratamento de esgotos) 
Área médica 
(atmosfera artificial, 
ar sintético, ar estéril) Solda 
(c/ H2 ou acetileno) 
APLICAÇÕES DO 
NITROGÊNIO GASOSO 
ATMOSFERA INERTE P/ EVITAR RISCO DE 
INCÊNDIOS, EXPLOSÕES OU GERAÇÃO DE 
PRODUTOS DE OXIDAÇÃO 
Processos metalúrgicos 
(produção Fe e aço) 
Processos químicos 
(produção de alimentos 
e fármacos) 
Indústria eletrônica 
Atmosfera modificada p/ 
embalagens 
(carnes, pães, laticínios etc.) 
Manufatura de 
produtos químicos Química dos Elementos 
USOS DO OXIGÊNIO LÍQUIDO: 
ALTA REATIVIDADE 
O2(l): combustível 
foguetes; 
 propulsão de satélites 
USOS DO NITROGÊNIO LÍQUIDO: 
INÉRCIA 
N2(l): Biocriogênia 
conservação de materiais biológicos 
N2(l): Sistema criogênico 
conservação de alimentos