2_Quimica_Inorganica_II

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Química Inorgânica IIQuímica Inorgânica IIQuímica Inorgânica IIQuímica Inorgânica II 
 
• Metais Alcalinos 
• Metais Alcalinos Terrosos 
• Metais de Transição 
• Alumínio 
 
Bibliografia 
• Quagliano 
• J. D. Lee 
 
 
Metais AlcalinosMetais AlcalinosMetais AlcalinosMetais Alcalinos 
 
Li, Na, K, Rb, Cs, Fr 
 
O estudo engloba as propriedades físicas e químicas, sendo dada ênfase às 
propriedades químicas. O estudo dos metais alcalinos é a química de seus íons M+. 
O elemento mais pesado o grupo é o frâncio. É radioativo e não ocorre na natureza. 
Formam um grupo bastante homogêneo. 
As propriedades físicas e químicas estão claramenteclaramenteclaramenteclaramente relacionadas com a sua 
estrutura (distribuição eletrônica), o seu tamanho. 
Neste grupo, o lítio difere dos demais (um fator é a distribuição eletrônica). 
 
 
Ocorrência e AbundânciaOcorrência e AbundânciaOcorrência e AbundânciaOcorrência e Abundância 
 
O lítio é obtido de minerais do grupo dos silicatos. O principal produtor é a ex-URSS, 
com 42%. 
A principal fonte de NaCl (salgema), e principal produtor, é a Inglaterra, com 75% do 
sal produzido por salgema. A Alemanha produz NaCl retirando 70% de salgemas. 
Do NaCl produzido por mares e lagos, os EUA aparecem com 19% (do lago de 
Utah), China com 10% e URSS com 9%. 
O potássio ocorre em depósitos de silvita (KCl e NaCl). O maior produtor é a ex-
URSS. 
Rubídio e Césio são obtidos do processamento do lítio. 
 
 
Obtenção dos Metais AlcalinosObtenção dos Metais AlcalinosObtenção dos Metais AlcalinosObtenção dos Metais Alcalinos 
 
Os metais deste grupo são reativos demais para serem encontrados livres. 
Seus compostos estão incluídos entre os que mais resistem ao calor (são altamente 
iônicos). Sendo assim, o metal puro não é obtido por decomposição térmica. 
São obtidos por eletrólise de um sal fundido, geralmente um haleto, frequentemente 
com uma impureza (também haleto), com a finalidade de abaixar a temperatura de 
fusão da mistura. 
O sódio metálico é obtido através de uma mistura (eutética) fundida de NaCl e CaCl2 
na célula de Down. A temperatura do processo é em torno de 600°C, enquanto o 
NaCl puro funde a 804°C. A pequena quantidade de cálcio formada durante a 
eletrólise é insolúvel no sódio líquido. 
 
Vantagens de se Trabalhar com uma MisturaVantagens de se Trabalhar com uma MisturaVantagens de se Trabalhar com uma MisturaVantagens de se Trabalhar com uma Mistura 
 
1. Diminui o ponto de fusão com economia para se manter o material fundido; 
2. Menor temperatura acarreta menor pressão de vapor do sódio, o que diminui 
o risco do sódio vir a se inflamar (não explode quando puro pois há constante 
injeção de gás inerte, não há oxigênio, etc.); 
3. Temperatura mais baixa. O sódio liberado não se dissolve na mistura. 
 
 
ConfiguraConfiguraConfiguraConfiguração Eletrônicação Eletrônicação Eletrônicação Eletrônica 
 
O elétron de valência está situado longe do núcleo, é fracamente ligado e removido 
com facilidade → alta reatividade. 
 
 
Tamanho dos Átomos e ÍonsTamanho dos Átomos e ÍonsTamanho dos Átomos e ÍonsTamanho dos Átomos e Íons 
 
São os maiores da tabela periódica. 
Quando os elétrons são removidos para formar íons positivos, o tamanho diminui 
consideravelmente. Há duas razões: 
 
1. A camada eletrônica externa foi totalmente removida; 
2. Com a remoção de um elétron a carga positiva do núcleo passa a ser maior 
que a carga de elétrons remanescentes, e cada um deles é atraído mais 
fortemente para o núcleo. Com isso o tamanho reduz ainda mais. 
 
 
DensidadeDensidadeDensidadeDensidade 
 
Como os átomos são grandes, os elementos do grupo I apresentam densidades 
muito baixas. 
 
 Raio Raio iônico d 
Li 1,52 0,76 0,54 
Na 1,86 1,02 0,97 
K 2,27 1,38 0,86 
Rb 2,48 1,52 1,53 
Cs 2,65 1,67 1,90 
 
 
- A tabela ilustra o tamanho de átomos e íons; 
- Também mostra o aumento do Li → Cs. 
 
 
Energia de IonizaçãoEnergia de IonizaçãoEnergia de IonizaçãoEnergia de Ionização 
 
As primeiras energias de ionização para os átomos desse grupo são 
consideravelmente menores que àquelas de qualquer outro grupo da tabela 
+
 rea
tivo 
periódica. A segunda energia de ionização é sempre maior, e geralmente o dobro, 
isto porque envolve a remoção de um elétron de um íon positivo menor. 
 
 
Estrutura dos Metais, Dureza e Energia de CoesãoEstrutura dos Metais, Dureza e Energia de CoesãoEstrutura dos Metais, Dureza e Energia de CoesãoEstrutura dos Metais, Dureza e Energia de Coesão 
 
Em temperatura normal, os metais alcalinos adotam estrutura de retículo cúbico de 
corpo centrado, com número de coordenação igual a oito. Sendo íons grandes na 
formação, são moles podendo ser cortados com faca. 
 
 
Eletronegatividade e Tipos de ReaçãoEletronegatividade e Tipos de ReaçãoEletronegatividade e Tipos de ReaçãoEletronegatividade e Tipos de Reação 
 
São valores pequenos (perdem elétrons). Ex.: 
 
Na – 0,9 
Cl – 3,0 
 
Uma diferença elevada, acima de 1,7, sugere uma ligação eletrovalente, e é o que 
acontece com os metais alcalinos. 
 
 
Energia de CoesãoEnergia de CoesãoEnergia de CoesãoEnergia de Coesão 
 
Força que mantém unidos os átomos. 
No grupo I são iguais à metade da energia de coesão do grupo II e um terço dos 
elementos do grupo III. 
A magnitude das energias de coesão determina a dureza, e ela depende do número 
de elétrons que podem participar da ligação. 
 
 
Pontos de Fusão e EbuliçãoPontos de Fusão e EbuliçãoPontos de Fusão e EbuliçãoPontos de Fusão e Ebulição 
 
Valores baixos de coesão refletem em valores muito baixos para ponto de fusão e 
ebulição. Ex.: 
 
Li → 181°C 
Cs → 21°C 
 
 
Preparação dos Metais AlcalinosPreparação dos Metais AlcalinosPreparação dos Metais AlcalinosPreparação dos Metais Alcalinos 
 
Como ocorrem na natureza em compostos que possuem íon M+, os processos de 
obtenção sugerem a redução do íon M+ → M0. 
No caso dos metais alcalinos, pela eletrólise de um sal adequado em estado de 
fusão. 
 
 
Método EletrolíticoMétodo EletrolíticoMétodo EletrolíticoMétodo Eletrolítico 
 
Os cloretos dos metais alcalinos (fundidos) são sais satisfatórios para a produção 
eletrolítica do metal alcalino puro. 
O sódio metálico é preparado industrialmente pela eletrólise do NaCl. 
NaCl puro → 804°C, com adição de CaCl2 trabalho a temperatura mais baixa. 
 
 
2NaCl 2Na(l) + Cl2(g) 
 
 
Durante o processo o Cl2 é retirado constantemente. Algumas bibliografias falam na 
presença de gás inerte na parte superior da cuba eletrolítica. A presença de O2 e 
umidade é perigosa. 
 
OBS.: os metais alcalinos estão entre os mais reativos de todos os elementos. 
 
- Propriedade cinética: baixa energia de ativação. Alguns metais reagem muito bem 
à temperatura ambiente. 
 
 
Comportamento em SoluçãoComportamento em SoluçãoComportamento em SoluçãoComportamento em Solução 
 
São todos hidratados. A energia de hidratação decresce regularmente quando se 
aumenta a dimensão iônica. 
 
 
Reação dos Metais Alcalinos com ÁguaReação dos Metais Alcalinos com ÁguaReação dos Metais Alcalinos com ÁguaReação dos Metais Alcalinos com Água 
 
A água reage com todos os metais alcalinos para formar o íon M+, o íon OH- e o H2. 
É uma reação altamente exotérmica. 
 
M(s) + H2O(l) M
+
(aq) + OH
-
(aq) + 1/2H2 
 
O calor liberado é alto, podendo causar vaporização súbita da água. A medida que 
se desce na família a temperatura é suficiente para iniciar a combustão do H2. 
 
 
Hidretos Hidretos Hidretos Hidretos dos Metais Alcalinosdos Metais Alcalinosdos Metais Alcalinosdos Metais Alcalinos 
 
Em temperaturas elevadas os metais alcalinos reagem com H2 para formar o M
+H-. 
O sódio metálico reage entre 100°C e 400°C formando o hidreto. 
Este tipo de reação pode ser controlada pela temperatura.Metais Alcalinos TerrososMetais Alcalinos TerrososMetais Alcalinos TerrososMetais Alcalinos Terrosos 
 
Apresentam 2e- no orbital mais externo. Tipicamente di-valentes, constituem uma 
série gradual de metais muito reativos, formando compostos iônicos incolores. 
O berílio mostra diferenças consideráveis de comportamento dos demais elementos 
do grupo. 
 
EE 
 
CaCl2 
 
OcorrênciaOcorrênciaOcorrênciaOcorrência 
 
 
Berílio 
 
 
Encontrado em minerais do grupo dos silicatos. 
 
Magnésio e Cálcio: são muito abundantes e se incluem entre os oito elementos mais 
encontrados na crosta terrestre. 
 
Sais de Magnésio: água do mar e em depósitos minerais de magnesita (MgO3). 
O CaCO3 é encontrado em abundância como calcita e calcário. Rochas comuns em 
regiões montanhosas, o calcário é matéria-prima básica para a indústria de cimento. 
Indústrias de cimento não são comuns no litoral. 
 
Estrôncio e Bário: são pouco encontrados, mas de fácil obtenção. 
 
Rádio: extremamente raro, mas muito importante. 
 
Os átomos destes elementos são grandes, mas menores do que os correspondentes 
do grupo I, pois a carga existente no núcleo atrai mais os elétrons. Por analogia, 
seus íons são grandes, mas menores que os correspondentes do grupo I, pois a 
remoção de 2e- externos aumenta a carga nuclear efetiva. Assim, estes elementos 
são mais densos que os do grupo I. 
Os 2e- de valência participam da ligação metálica, são mais duros, apresentam mais 
força coesiva, refletindo no ponto de fusão e de ebulição. 
 
Quadro de EI (KJ.mol-1) 
 
 1ª 2ª 
Be 899 1757 
Mg 737 1450 
Ca 590 1145 
Sr 544 1064 
Ba 503 965 
Ra 509 979 
 
OBS.: as EI diminuem devido ao tamanho (elétrons de valência muito afastados do 
núcleo). A segunda EI é o dobro da primeira devido à carga nuclear efetiva. 
 
 
Ocorrência e PreparaçãoOcorrência e PreparaçãoOcorrência e PreparaçãoOcorrência e Preparação 
 
Não é encontrado livre na natureza. Encontrado em minérios. 
São obtidos pela eletrólise dos seus halogenetos fundidos na presença de outro 
halogeneto de alcalino terroso que venha diminuir o ponto de fusão, mantendo a 
condutividade do eletrólito. 
 
MgO3 MgO(s) + CO2(g) – básico 
- pouco encontrado 
- difícil obtenção 
∆ 
 
 
MgO(s) + CO + Cl2 MgCl2 + CO2(g) 
 
 
 
O MgCl2 é misturado a um halogeneto (NaCl). A mistura é fundida a 710°C; separa-
se o metal e o cloro. 
A partir do MgO não utilizando a eletrólise também chega-se ao magnésio metálico. 
Qual é a reação??? 
 
 
SulfatosSulfatosSulfatosSulfatos 
 
São sólidos brancos cristalinos extremamente estáveis ao calor. Podem ser 
preparados pela ação do H2SO4 sobre óxidos, hidróxidos e carbonatos metálicos. 
 
MO + H2SO4 MgSO4 + H2O 
M(OH)2 + H2SO4 MgSO4 + H2O 
MCO3 + H2SO4 MgSO4 + H2O + CO2 
 
 
A solubilidade em água dos sulfatos dos metais alcalinos terrosos decresce 
consideravelmente ao se descer na família, desde o Be até o Ba. Os sulfatos de 
berílio e magnésio são bastante solúveis em água. O sulfato de cálcio é apenas 
moderadamente solúvel. 
 
 
HalogenetosHalogenetosHalogenetosHalogenetos 
 
Todos os metais alcalinos terrosos combinam-se diretamente e exotermicamente 
com os halogênios formando MX2. O ∆H varia muito, dependendo do íon empregado. 
 
 
Hidróxidos dos Metais AlcalinosHidróxidos dos Metais AlcalinosHidróxidos dos Metais AlcalinosHidróxidos dos Metais Alcalinos Terrosos Terrosos Terrosos Terrosos 
 
O caráter básico aumenta do magnésio em direção ao bário. Aumentando o átomo, 
os elétrons de valência ficam mais afastados do núcleo, o que acarreta baixa energia 
de ionização. 
Soluções aquosas de Ca(OH)2 (água de cal) e Ba(OH)2 são utilizadas para detectar 
o CO2. Quando o CO2 é borbulhado, estas soluções se tornam leitosas (CaCO3 e 
BaCO3). O excesso de CO2 desaparece a turbidez. 
 
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O + CO2 CaHCO3 
 
 
 
Dureza da ÁguaDureza da ÁguaDureza da ÁguaDureza da Água 
 
halogeneto 
ppt branco 
excesso 
 
CO2 
Presença de sais de cálcio e magnésio é prejudicial às indústrias, laboratórios e 
saúde, dependendo da ênfase do estudo. 
A presença elevada de sais de cálcio e magnésio é verificada na prática pela não 
formação de espuma quando é adicionado sabão. 
Água dura forma incrustações em tubulações de água e caldeiras. 
 
2HCO3 � CO3
2- + CO2 + H2O 
 
O carbonato precipita. 
 
 
Metais de Transição (1ª série)Metais de Transição (1ª série)Metais de Transição (1ª série)Metais de Transição (1ª série) 
 
Os elementos desde 21Sc até 28Ni têm um número de elétrons progressivamente 
maior na sub-camada mais externa 3d. São chamados de transição: 
 
Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni 
3d1 3d2 3d3 3d4 3d5 3d6 3d7 3d8 
4s2 4s2 4s2 4s1 4s2 4s2 4s2 4s2 
 
 
PropriedadesPropriedadesPropriedadesPropriedades 
 
Em condições normais, todos os elementos de transição são metais sólidos, 
geralmente de cor branca ou cinzenta clara, que podem ser polidos até um brilho 
intenso. Ocorrem em mais de uma forma cristalina. Exemplo: 
 
Fe (cúbica mais compacta ou cúbica de corpo centrado). 
 
Depende de fatores: 
• Condições térmicas a que é submetido durante a cristalização; 
• Traços de impureza. 
 
Exemplo: 
 
 
 
Os elementos da 1ª série têm: 
• Densidades relativamente elevadas; 
• Ponto de fusão, ponto de ebulição e calores de atomização elevados; 
• As forças metálicas são fortes ao ponto de se manterem mesmo em fusão. 
 
Se a camada de valência é preenchida pela metade ou menos, a tendência é que a 
força da ligação seja alta, visto que quanto maior o número de elétrons disponíveis 
para ligação, mais forte é a ligação. 
Os elétrons 3d formam ligações mais fortes que s e p. 
 
 
Caráter Eletropositivo e ReatividadeCaráter Eletropositivo e ReatividadeCaráter Eletropositivo e ReatividadeCaráter Eletropositivo e Reatividade 
 
A química dos metais de transição é caracterizada por sua grande variedade. Não é 
somente o comportamento químico que difere consideravelmente de um elemento ao 
seguinte da mesma série, mas também porque cada elemento exibe diversos 
estados de oxidação, e cada elemento em um estado é caracterizado por um 
diferente conjunto de propriedades. 
 
 
Energia de IonizaçãoEnergia de IonizaçãoEnergia de IonizaçãoEnergia de Ionização 
 
Sendo que as configurações eletrônicas dos elementos sucessivos da 1ª série 
diferem apenas 1 elétron 3d, existem pequenas diferenças na energia de ionização. 
Essas diferenças são bem menores em relação à série dos metais comuns. 
A variação da energia de ionização corresponde a um pequeno decréscimo na 
dimensão atômica e pequeno aumento na carga nuclear efetiva. Analisando alguns 
valores de energia de ionização, desde o Ca até o Zn, verificamos que o cromo e o 
cobre possuem valores elevados. Os mesmos são justificados pelo Cr estar 
preenchido pela metade d5 e o cobre d10. São estáveis e resistem ao rompimento. 
 
 
Propriedades magnéticasPropriedades magnéticasPropriedades magnéticasPropriedades magnéticas 
 
Uma outra propriedade característica é o paramagnetismo; as substâncias 
(elementos) possuem elétrons desemparelhados. 
A extensão é calculada matematicamente, levando em conta elétrons 
desemparelhados. 
 
 
Propriedades químicas dos elementos de transiçãoPropriedades químicas dos elementos de transiçãoPropriedades químicas dos elementos de transiçãoPropriedades químicas dos elementos de transição 
 
• Estados de oxidação 
 
Todos os elementos de transição, exceto o Sc e os elementos mais pesados (ítrio e 
lantânio), exibem uma variedade de estados de oxidação. O escândio exibe somente 
um estado, +3, mas cada um dos elementos da 1ª série têm dois ou mais estado de 
oxidação, que vão desde o valor positivo correspondente ao número do grupo, até 
valores menores, passando por zero e até negativos. Isto confereuma variedade 
muito grande de compostos e propriedades. 
 
• Reatividade 
 
A química dos metais de transição é caracterizada pela sua grande variedade. 
Não somente o comportamento químico que difere, mas também os diversos 
estados de oxidação possíveis. Cada estado é caracterizado por um diferente 
conjunto de propriedades. 
Dois fatores interferem nas propriedades das substâncias: propriedades 
termodinâmicas (pesquisar) e propriedades cinéticas. 
O grau de granulação metálica, natureza da granulação e tratamento térmico são 
fatores que geralmente determinam a reatividade dos metais sob o ponto de vista da 
cinética. 
Um exemplo é o níquel, em que se a superfície for polida a oxidação só vem a 
acontecer à temperatura elevada (metal deve estar ao rubro), mas se estiver na 
forma de um pó, a oxidação acontece de forma violenta a 200°C. 
 
 
Reações dos Metais de TransiçãoReações dos Metais de TransiçãoReações dos Metais de TransiçãoReações dos Metais de Transição 
 
Todos os metais da 1ª série de transição são eletropositivos. Podem se dissolver em 
soluções aquosas de ácidos não oxidantes com desprendimento de oxigênio. 
O elemento da 1ª série combina-se diretamente com muitos elementos (halogênios, 
oxigênio, nitrogênio, enxofre e fósforo), formando uma variedade de compostos 
binários, cujas fórmulas dependem das condições sob as quais a reação ocorre. Em 
geral, ocorrem lentamente a temperatura ambiente, mas em temperaturas 
suficientemente elevadas ocorrem de forma rápida e com desprendimento de calor 
(são exotérmicas). Exemplos: 
 
3Fe + 2O2 → Fe3O4 
Fe + 3/2Cl2 → FeCl3 
Fe (excesso) + Br2 → FeBr2 
Fe + Br2 (excesso) → FeBr3 
Fe + I2 → FeI2 
Fe + S → FeS 
Fe + Si → FeSi 
3Fe + P → Fe3P 
 
Em temperaturas elevadas os elementos de transição também reagem com muitos 
compostos gasosos (HCl, SO2, NH3, H2O), e também com KNO3, KHSO4 e NaOH. 
 
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 
2Fe + 3H2O → Fe2O3 + 3H2 
 
- estudar ocorrência na natureza e utilização 
- preparação de alguns metais de transição: escândio (ler) 
 
 
TitânioTitânioTitânioTitânio 
 
Baseia-se na redução a alta temperatura do cloreto de titânio com um metal redutor 
como o K, Na, Mg ou Ca na ausência de O2, N2, H2 e C e qualquer substância que 
possa entrar em reação com o metal livre. 
 
TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2 
 
Ocorre em atmosfera inerte de hélio ou argônio. 
 
A redução do TiO2 com carbono em forno elétrico produz Ti e TiC2 que é usado 
diretamente na fabricação de ligas. 
 
 
CromoCromoCromoCromo 
 
Obtido pelo método termita. Redução de Cr2O3 com alumínio: 
 
Cr2O3 + Al → 2Cr + Al2O3 ∆H – 
 
Um outro método de obtenção é a redução do Cr2O3 com carbono em forno elétrico. 
 
 
Liga FerroLiga FerroLiga FerroLiga Ferro----CromoCromoCromoCromo 
 
Obtida pela redução da cromita (FeCr2O4) com carbono em forno elétrico. 
 
FeCr2O4 + 4C → 2Cr + Fe + 4CO 
 
- para P2: obtenção do manganês (explique) 
 
 
PPPProdução de Ferro Gusarodução de Ferro Gusarodução de Ferro Gusarodução de Ferro Gusa 
 
A mistura de reação é formada por óxido de ferro III (Fe2O3), coque (C) e calcário 
(CaCO3). As proporções da mistura variam pois dependem do minério, mas sempre 
o coque está em excesso. Essa mistura é carregada no alto-forno. O carvão exerce 
um duplo papel na fabricação do aço. Como combustível, alcança 1500°C, e como 
redutor, associa-se ao oxigênio deixando o Fe livre. 
Minério e carvão são previamente tratados a fim de se obter rendimento e custo. 
O carvão é tratado na coqueificação. É submetido a 1300°C sem a presença de ar. 
As substâncias voláteis são retiradas. O produto obtido é o coque (carvão poroso). 
O minério é transformado em pelotas (pelotização): granulometria (5mm). 
As pelotas menores que 5mm de diâmetro passam por um processo de sinterização 
(junta-se a outros materiais fundentes de modo a restabelecer o diâmetro requerido). 
A mistura coque, minério e calcário (nessa ordem), no forno é colocada. Insufla-se 
oxigênio puro e pré-aquecido na base do forno. 
O coque reage com o oxigênio do ar quente (ou oxigênio puro), convertendo-se em 
CO. O calor desta reação é de ±1930°C (próximo à base do forno). Um forno em 
operação estável tem na base 1930°C e no topo 200°C. 
Analisando as reações a partir do ponto mais alto (topo): 
 
- a 200°C: 
 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 
 
- a 350°C 
 Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 
 
- acima de 350°C 
 FeO + CO → Fe + CO2 
 
O FeO é reduzido a Fe metálico. Acontecem outras reações: 
 
CaCO3 → CaO + CO2 
C + CO2 → 2CO 
CaO + SiO2 → CaSiO3 
CaO + Al2O3 → Ca(AlO2)2 
 
As impurezas fundem-se, mas não se misturam com o Fe líquido. São separadas 
facilmente. Os gases de exaustão saem a 200°C e são reaproveitados para aquecer 
o oxigênio. 
 
- processo Bessemer (ver no xérox).