Inorgânica II - Grupo 15 e 16

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Grupo 15 e 16 
Em ambos os grupos, os dois primeiros elementos são ametais típicos. Nitrogênio e 
Fósforo, no grupo 15; e Oxigênio e Enxofre, no grupo 16. > Isolantes. 
Os dois segundos elementos, estes sendo os “elementos intermediários”, apresentam 
características de metaloides. Arsênio e Antimônio (Sb), no grupo 15; e Selênio e Telúrio, 
no grupo 16. > Semicondutores. 
Os últimos elementos de cada grupo são os metais. Bismuto, no grupo 15; e Polônio, no 
grupo 16. > Condutores. 
 
 
GRUPO 15 (família do nitrogênio) 
1) Configuração do Grupo 15: ns2np3 (cinco elétrons de valência). O máximo 
número de oxidação esperado é +5, no entanto, no grupo 15, Bismuto sofrem o 
efeito do par inerte, apresentando o nox +3 na maioria de seus compostos. 
 
O efeito do par inerte baseia-se na estabilidade do estado de oxidação menor em 
duas unidades que o estado esperado para o grupo e isso ocorre devido ao par de 
elétrons que apresentam extrema dificuldade para participar de ligações, já que 
estes se encontram sobre o efeito de uma carga efetiva (atração ao núcleo) maior. 
 
Observação: O caráter metálico do grupo 15 aumenta de cima para baixo e é 
evidenciado pelas seguintes características: tendência a formar íons 
positivos, óxidos se tornarem mais básicos (caráter iônico) e brilho metálico. 
 
2) Nitrogênio: 
 
• Muito abundante na atmosfera como N2; 
• Na forma gasosa: é usado como atmosfera inerte em laboratórios e 
indústrias, e na síntese da amônia. 
 
Como a demanda por compostos nitrogenados é grande para a fertilização 
do solo, tem-se a necessidade de obter NH3 em grande quantidade. Harber 
e Bosh propuseram esse recurso (Processo de Harber-Bosh) para se 
obter amônia em escala industrial. 
 
N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH < 0 (exotérmica) 
 
- Na equação acima, é importante uma pressão de 200 atm, uma 
temperatura entre 300o e 500o, utilizando um catalisador de Fe. A faixa de 
temperatura utilizada no processo é relativamente baixa e suficiente para 
que um rendimento de 60% seja alcançado. 
 
 
 
 
A grande aplicação do NH3 é na fabricação de fertilizantes, que são 
indispensáveis ao crescimento vegetal, já que o elemento nitrogênio faz 
parte das proteínas (função estrutural nos organismos). 
 
• No estado líquido: é usado como agente refrigerante, sendo obtido a partir 
da destilação fracionada do ar líquido. O ar, em sua forma líquida, é uma 
mistura contendo principalmente N2(l) e O2(l), além de Argônio (Ar). A 
mistura líquida é submetida à destilação fracionada, sendo os 
componentes devidamente separados após sucessivas evaporações e 
condensações. 
 
Destilação fracionada é o processo de separação onde se utiliza uma 
coluna de fracionamento na qual é possível realizar a separação de 
diferentes componentes que apresentam propriedades físicas distintas, 
como o ponto de ebulição. No caso do ar, ela ocorre como no esquema 
abaixo: 
 
 
 
Na forma de compostos, o Nitrogênio é usado na fertilização do solo. Ele será, portanto, 
fundamental na formação de aminoácidos, que constituirão as proteínas dos vegetais. 
 
3) Inércia e Reatividade do Nitrogênio: 
• Ligação tripla muito intensa dificulta a reatividade; 
• Como muitos fertilizantes são derivados do nitrogênio, torna-se 
importante saber como é possível a quebra da molécula de N2 a fim de 
formar compostos mais úteis a agricultura; 
• Nas raízes de algumas plantas existem grupos de bactérias, estas 
denominadas “nitrificantes” que convertem o N2(g) em amônia e outras 
espécies, como NO2
- e NO3
-. Tais bactérias contêm um grupo de enzimas, 
denominadas “nitrogenases” que serão responsáveis por facilitar a 
reatividade do N2 atmosférico (que é bem inerte devido às ligações). 
 
4) Ácido Nítrico: é o oxiácido mais importante do nitrogênio. Com o tempo, 
apresenta coloração amarelada devido à formação de NO2: 
4HNO3 + 4NO2 + O2 + 2H2O 
 
No HNO3, o nox do elemento central é o máximo esperado (+5). Essa carga 
parcial elevada não é razoável para um átomo pequeno, tendo o N a tendência a 
diminuir seu nox (lembrando que o Nitrogênio faz, no máximo, 4 ligações). 
 
 
 
Ácido forte e excelente oxidante, e por isso é capaz de solubilizar metais. Au não se 
dissolve diretamente em ácido nítrico, mas em água régia, sim. Essa é uma mistura 
1(HNO3 concentrado) para 3(HCl concentrado). 
Isso ocorre pois Au é um metal nobre e estes não tendem a se oxidar com facilidade 
mesmo com o uso do HNO3 e HClO4 (fortes ácidos oxidantes). Para permitir suas 
oxidações e dissolução comumente é usada a água-régia. O metal nobre se oxida e é 
estabilizando pelos íons Cl-, formando um complexo. 
Exemplo: 
Au(s) ⇌ ácido nítrico Au3+(aq) + 3e- 
Au3+(aq) + 4Cl
-
(aq) → [AuCl-](aq) 
O Au3+ forma o complexo e isso favorece de acordo com o princípio de Le Chantelier, o 
consumo de mais Au(s). Ao final, a dissolução acontece. 
 
5) Fósforo: Ele é muito usado na fabricação de fertilizantes, como será mostrado 
adiante. Compostos fosforados, como o hidrogenofosfato de cálcio [Ca(H2PO4)2] 
são fontes do elemento fósforo (útil no fortalecimento das raízes). Na fertilização, 
é preferível o uso de Ca(H2PO4)2 ao uso do Ca3(PO4)2. 
 
A forma elementar é obtida a partir do fosfato de cálcio: 
2Ca3(PO4)2(s) + 6SiO2(s) + 10C(s) → 6CaSiO3(l) + 10CO(g) + P4(s) 
 
O ácido fosfórico puro é produzido a partir do fósforo pelo processo abaixo: 
P4(s) + 5O2(g) → P4O10(s); P4O10(s) + 6H2O(l) → 4H3PO4(l) 
 
6) Fertilizantes: 
No processo de fertilização do solo, sais e nitratos tornam-se muitos importantes. 
• Obtenção de compostos fosfatados úteis à fertilização: 
2Ca3(PO4)2(s) + 6SiO2(s) + 10C(s) → 6CaSiO3(l) + 10CO(g) + P4(s) 
P4(s) + 5O2(g) → P4O10(s); P4O10(s) + 6H2O(l) → 4H3PO4(l) 
Ca3(PO4)2(s) + 2H2SO4 + 4H2O → Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4.2H2O 
Ca3(PO4)2 + 4H3PO4(l) → 3Ca(H2PO4)2 
 
 
 
• Obtenção de sais nitrogenados úteis à fertilização: 
HNO3 + NH3 → NH4NO3 
2NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4 
3NH3 + H3PO4 → (NH4)3PO4 
 
7) Estrutura e Alotropia: 
• O N2 tem uma forte ligação tripla, fato que o impede de originar alótropos. 
Em contrapartida, o fósforo, que não forma fortes ligações pi, consegue 
reacomodar seus átomos, originando alótropos. 
 
• O fósforo forma alótropos, como o fósforo branco e o fósforo vermelho. O P4 
forte tensão angular que faz com que ele seja muito reativo, tanto que fósforo 
vermelho ocorre catenação (formação de cadeia). 
 
 
 
 
GRUPO 16 (calcogênios) 
1) Configuração do grupo 16: ns2np4 (seis elétrons de valência). O máximo 
número de oxidação esperado é +6, no entanto, no grupo 16, Polônio sofrem o 
efeito do par inerte, apresentando o nox +2/+4 na maioria de seus compostos. 
 
Observação: Tal fato se reflete nas suas reações químicas, nas estruturas 
dos elementos e na tendência em se formar íon divalentes. 
 
2) Origem do nome: O nome “calcogênio” vem do grego “khalkos”, que significa 
cobre, e “genos”, uma família de origem nobre. A junção dos nomes gera 
“calcogênios”, que quer dizer “originário do cobre” ou “que vem do cobre, ou 
seja, origem no termo formador de minérios. 
 
 
3) Oxigênio: 
• O oxigênio forma ligações pπ-pπ fortes. Assim, por exemplo, observa-se a 
seguinte tendência: CO2 (estável), CS2 (menos estável), CSe2 (se 
polimeriza), CTe2 (desconhecido). 
• Os óxidos metálicos tem o íon O2- e muitos se mostram tipicamente iônicos, 
em especial os de metais do bloco s. O oxigênio nunca apresenta valência 
superior a dois, pois depois de formar duas ligações covalentes ele assume 
uma configuração eletrônica estável.• Formam em seus compostos fortes ligações de hidrogênio. 
• A diferença de eletronegatividade entre o oxigênio e metais é grande: devido 
a isso a maioria dos óxidos metálicos são iônicos. 
• O oxigênio é obtido industrialmente pela destilação fracionada do ar líquido. 
Como dito anteriormente, os gases N2, Ar e O2 são fracionados e separados 
na coluna de destilação. 
• O2(l) e O2(s) são azuis tais como o ozônio. Para o oxigênio elementar, (O2) 
líquido, se evidencia comportamento paramagnético pelos elétrons 
desemparelhados (teoria dos orbitais moleculares). 
 
• Por motivos semelhantes, o oxigênio forma poucos alótropos (O2 e O3) 
enquanto o enxofre forma inúmeros alótropos em ampla faixa de 
temperatura. 
• Óxidos covalentes tendem a ser mais ácidos, assim, se um elemento 
apresentar muitos óxidos, o elemento que tiver o maior nox é o mais 
ácido (mais covalente). Exemplo: CrO (básico), Cr2O3 (anfótero) e CrO2 
(ácido). 
 
4) Química do Ozônio: 
• O3 é uma substância azul nos estados líquido e sólido, instável e tóxico. 
É uma substância de característica polar. 
• É um forte oxidante (melhor que O2) e é usado na purificação da água, 
como desinfectante. 
 
O3 + 2H
+ + 2e- → O2 + H2O Eo = 1,65 V 
O2 + 4H
+ + 4e- → 2H2O Eo = 0,815 V 
 
• Está presente na atmosfera, particularmente a 25 km de altura, sendo 
formado pelo seguinte processo: 3O2 + radiação → 2O3 
• Absorve energia fortemente na região do ultravioleta. 
 
• A estrutura do O3 (ozônio) sugere que exista ressonância. Assim, a forma 
mais razoável de escrevê-la é: 
 
 
 
5) Enxofre: 
• Forma maior número de alótropos, fato relacionado a ligações mais fracas em 
relação ao oxigênio. 
• A 600o, o vapor de enxofre é constituído basicamente por S2 (que tem a cor 
azul). 
• Sα ou rômbico é estável a temperatura ambiente. 
• Sβ ou monocíclico é estável a 95,5oC. Ambos formam anéis S8 em forma de 
coroa. 
• O enxofre é encontrado na forma elementar na natureza tipicamente em regiões 
vulcânicas. Forma molécula S8. 
 
 
 
6) Ácido Sulfúrico (H2SO4): É o ácido mais importante na indústria química, sendo 
usado na fabricação de fertilizantes, tintas, pigmentos, limpeza de metais, entre 
outras utilidades. Sua obtenção ocorre a partir do anidrido sulfúrico (SO3), que é 
fabricado a partir do SO2 por um processo de contato usando um catalisador 
(V2O5). Em seguida ele reage com água para formar o respectivo ácido. 
 
 
ÁCIDO COMERCIAL: H2SO4 (98 – 99%; 18 mol. L-1, aproximadamente). 
ÁCIDO PURO: H2SO4 (100% feito a partir do borbulhamento do SO3 no ácido 
comercial. 
 
Adição de excesso de SO3 ao ácido puro: obtenção do ácido sulfúrico fumegante 
(oleum), constituído basicamente por H2S2O7. O oleum forma-se a partir da 
condensação de duas moléculas de H2SO4. O objetivo é reduzir a água do meio ao 
máximo. Assim, borbulha-se SO3. 
 
 
7) Chuva ácida: As reações de formação da chuva ácida são: 
• Tranformação de SO2 em SO3: 
SO2 + ½ O2 → SO3 
• Formação dos ácidos suluroso e sulfúrico: 
SO2 + H2O → H2SO3 
SO3 + H2O → H2SO4 
Efeitos da chuva ácida ao meio ambiente os materiais usados na construção de 
casas, edifícios e monumentos, podendo até mesmo destruir represas e usinas 
hidrelétricas. Causa a acidificação dos lagos, de forma que os organismos que 
vivem neste ambiente não conseguem sobreviver. 
Desmatamentos: a chuva ácida faz clareiras, matando duas ou três árvores. 
 
8) Peróxido de Hidrogênio: H2O2 é um líquido incolor que forma mais ligações de 
hidrogênio que a água. Esse fato reflete em algumas propriedades dessa substância 
quando comparada a água. 
• Ponto de Fusão: -0,4oC; 
• Ponto de Ebulição: 152oC (maior ponto de ebulição). 
• Densidade: 1,4 g.mL-1 
Obtenção do peróxido de hidrogênio em escala industrial se dá a partir da 2-alquil-
antra(hidroquinona). 
Devido a seu poder oxidante, não é um bom solvente. Ele é muito útil na 
oxigenação de esgotos e na contenção da proliferação de microrganismos. 
 
O que significa solução de água oxigenada “20 volumes”? 
Significa que, se todo o soluto (H2O2) presente em 1L da solução for decomposto, 
são produzidos 20L de O2 gasoso, medidos em CNTP, ou seja, 1 atm e 0
oC. 
Na reação de decomposição, ou desproporcionamento, somente metade do 
oxigênio presente no H2O2 presente no H2O2 é convertido em O2 gasoso. 
2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g)