Metais Transição - Aula 03 e Pratica 01

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Centro de Ciências da Natureza - Departamento de 
Química
DQU0120 - Química dos Metais de Transição– 2020.3
Prof. Jean C. S. Costa
Universidade Federal do Piauí
METAIS ALCALINOS
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2
METAIS ALCALINOS
Monóxidos O2-
Peróxidos O2
2-
KO2
Li2O
Superóxidos O2
-
Na2O2
K, Rb e Cs
4
 Os carbonatos do grupo 2 se decomporem em óxidos 
pelo aquecimento ( excerto Be)
MCO3(s) → MO(s) + CO2(g)
METAIS ALCALINOS TERROSOS
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3
 A pedra preciosa esmeralda
tema mesma fórmula mínima
do berilo, mas contém
pequenas quantidades de
cromo (responsável pela cor
verde).
METAIS ALCALINOS TERROSOS
Berílio
 Pequena fração de Al3+ substituída por Cr3+ na estrutura → Be3Al2(SiO3)6
6
5 S cm-1 a 25oC 
aumenta com o aumento da temperatura Semicondutor
3 x 104 S cm-1 a 25oC 
decresce com o aumento da temperatura Condutor
Condutividade ou condutância
elétrica. Esta propriedade corresponde ao
inverso da resistência e pode ser entendida
fisicamente como a facilidade com que um
determinado material permite a condução de
corrente elétrica. Sua unidade é definida como
-1 = S (siemens).
Condutividade 
perpendicular
ao plano
Condutividade 
Paralela ao plano
GRAFITA
GRUPO DO CARBONO (FAMÍLIA 14)
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INTERCALAÇÃO EM GRAFITE
GRUPO DO CARBONO (FAMÍLIA 14)
(a) Carregada; (b) Descarregando; (c) Descarregada; (d) Carregando;
GRUPO DO NITROGÊNIO - (FAMÍLIA 15)
 Sólido amorfo;
 Menos reativo (não requer armazenamento 
sob água);
 Inflama só a T > 4000C;
 Insolúvel em solventes orgânicos; 
Pn
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Nb
 Estas ligas devido à resistência são geralmente usadas para a fabricação de tubos
transportadores de água e petróleo a longas distâncias.
 Usado em indústrias nucleares devido a sua baixa captura de neutrons termais.
 Devido a sua coloração é utilizado, geralmente na forma de liga metálica, para a
produção de joias como, por exemplo, os piercings.
 Quantidades apreciáveis de nióbio são utilizados em superligas para fabricação de
componentes de motores de jatos , subconjuntos de foguetes , ou seja, equipamentos
que necessitem altas resistências a combustão. Pesquisas avançadas com este metal
foram utilizados no programa Gemini.
 O nióbio está sendo avaliado como uma alternativa ao tântalo para a utilização em
capacitores.
 O nióbio se converte num supercondutor quando reduzido a temperaturas criogênicas.
APLICAÇÕES
Vanádio, Tântalo e Tungstênio 
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Abundância elementos de transição
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Fontes dos elementos na natureza
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O Que é um elemento de transição?
 A carga nuclear efetiva que atua sobre um elétron é dada por:
Zef = Z - S
Zef= carga nuclear efetiva 
Z = carga nuclear (número atômico)
S = constante de blindagem
 Quando aumenta o número médio de elétrons protetores (S), a carga 
nuclear efetiva (Zef) diminui.
 Quando aumenta a distância do núcleo, S aumenta e Zef diminui.
CARGA NUCLEAR EFETIVA
ns > np > nd > nf
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3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Definição (IUPAC): Elemento cujo átomo ou cátion apresenta 
uma sub-camada d incompleta.
O Que é um elemento de transição?
Elementos do Bloco d
Elementos de Transição
Número de oxidação dos elementos do bloco d 
Mais comum
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Peróxido de Hidrogênio
GRUPO DO OXIGÊNIO - (FAMÍLIA 16)
0,159V 0,520V
Cu2+  Cu+  Cu
Estados de oxidação - Diagrama de Frost
ΔG = - nFEo
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Estados de oxidação
TCC
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Comprimento de onda, l (nm)
eg
t2g
Doct
t2g
Doct
D pequena
luz vermelha de baixa 
energia absorvida
D grande
luz azul de alta energia absorvida
Cor das transições d-d depende da magnitude de D
eg
E=h =hcl-1
METAIS DE TRANSIÇÃO
Bloco d
CdS
Cr2O3
TiO2
ZnO
Mn3(PO4)2 Co2O3
Al2O3
Fe2O3
Metais no estado oxidado: pigmentos
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Tendências periódicas: raio atômico
Os raios covalentes dos elementos de transição decrescem da esquerda para a 
direita ao longo de uma série de transição
ns > np > nd > nf
 Esse efeito é devido a presença de uma maior carga nuclear e uma
pequena habilidade de blindagem dos elétrons do orbital interno f,
contração lantanídica.
Z ef = Z - S
Líquido?
Tendências Periódicas: densidade
Z ef = Z - S
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CARÁTER NOBRE
Os metais localizados à direita do bloco d são
resistentes à oxidação.
Essa resistência é mais evidente para a prata, ouro
e os metais 4d, 5d e do grupo 8 a 10.
Grupo 8 a 10: metais do grupo da 
platina (ocorrem em minérios 
contendo platina)
𝑰 𝜶
𝒛𝒆𝒇
𝟐
𝒏𝟐
Algumas Aplicações
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EFICIÊNCIAS DE EMPACOTAMENTO 
Al, Ni, Cu, Rh, Pd, 
Ag, Ir, Pt, Au, Pb... 
Co, Zn. Ti, Zr, Ru, Os.... 
V, Cr, Fe, Nb, Mo, W....
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Ligas metálicas
a) Liga substitucional
b) Liga intersticial
Latão: 40 % Zn em Cu
Bronze
Aço  Raio  15%
Os metais podem formar soluções sólidas (ligas) substitucionais ou
intersticiais. Quais dos pares de metais poderiam formar ligas
substitucionais? :
(a) Na e K;
(b) K e Rb;
(c) Cu e Au;
(d) Cu e Zn
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CONDUTORES E SEMICONDUTORES
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Banda de condução
níveis desocupados
Banda de valência
níveis ocupados
ISOLANTE SEMICONDUTOR CONDUTOR
Teoria de bandas
energia do “gap”
TiO2
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Princípio da incerteza de Heisenberg: a confinação dos elétrons em um pequeno 
volume aumenta as energias dos mesmos. 
Pela força do princípio da exclusão de Pauli, cada estado atômico isolado se divide
então numa série de estados eletrônicos distintos e próximos, dando origem às
bandas de energia.
CONDUTORES E SEMICONDUTORES
CONDUTORES E SEMICONDUTORES
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A figura abaixo exibe as linhas de contorno de um campo
magnético constante no vácuo (A), para uma substância
diamagnética (B) e para uma substância paramagnética (C).
Propriedades Magnéticas
Propriedades Magnéticas
Existem duas configurações para o Fe(III), d5: 
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Propriedades Magnéticas
Magnetons de Bohr (BM) 
Ferromagnetismo x Antiferromagnetismo
Elétrons desemparelhados
alinhados em seus campos
magnéticos em comum
Spins de elétrons em direções 
opostas em átomos alternados 
Fe; Co; Ni MnO
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Curva de magnetização para composto Ferromagnetismo
Duro – Imas permanente
Macio - Transformadores
Qual é o momento paramagnético do [CoF6]
3-,
assumindo que a fórmula spin somente se aplica e
que o complexo é de spin alto?
Atividade
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Série dos Lantanóides
Abundância elementos de transição
 Conhecidos como terras raras - (Sc, Y e La também recebe essa denominação – são 
mais abundantes que o Iodo;
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Meia-vida dos Lantanóides
 São catorze elementos do bloco f que se caracterizam pelo preenchimento
gradativo do antepenúltimo nível energético, 4f.
 Suas propriedades são bastante semelhantes → até 1907 foram
considerados sendo um único elemento.
Era de se esperar que os elétrons fossem adicionados 
gradadivamente aos orbitais 4f e 5f.
[Xe]5d16s2
Série dos Lantanóides
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Série dos Lantanóides
O deslocamento do elétron 5d para o nível 4f é energeticamente mais favorável
Série dos Lantanoides
 Estado de oxidação → (+ II), (+ III) e (+ IV)
Estados de oxidação (+ II) e (+ IV):
 Resulta em uma configuração de 
gás nobre → Ce 4+ → (f0)
 Nível ( f ) semipreenchido → 
Eu2+ e Tb4+ → (f7)
 Nível f ) preenchido →
Yb2+ → (f14)
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Série dos Lantanoides
 Estado de oxidação → (+ III)
 Compostos iônicos e trivalentes;
 Valores baixos das três E. I.
 Assemelham muito mais uns aos
outros do que uma serie horizontal
de elementos de transição
Série dos Lantanóides
Contração lantanídea
Zef = Z - S ns > np > nd > nf
Dureza, ponto de fusão e a densidade aumenta do Ce → Lu
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Série dos Lantanóides
 Obtenção e usos
 Areia monazítica – Mistura de sais de fosfatos de Ce, Pr e Nd;
 Bastnaesita – Sais duplos de M+3CO3F;
 Precipitação;
Reação térmica;
 Cristalização fracionada;
 Formação de complexos;
 Cromatografia de troca iônica;
Série dos Lantanóides
M+3CO3F
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Série dos Lantanóides
Propriedades químicas:
 Todos os Ln+3 são moles, coloração branca prateada e muito reativos;
 Passivação dos elementos mais pesados;
 Reagem com agua formando hidróxido e hidrogênio – Iônico e básicos;
Ln+3 + H2O → 2Ln(OH)3 + 3H2
 Solúveis em água – Cloretos, nitratos e sulfatos solúveis;
 Quase insolúveis – oxalatos e carbonatos e cloretos.
 Solubilidade depende da pequena diferença entre a energia reticular e a energia
de solvatação;
 Seque o padrão observado para os elementos do Grupo 2:
A solubilidade da maioria dos sais diminui com o aumento do peso atômico.
A solubilidade depende da energia reticular do sólido e da energia de
hidratação dos íons.
Considerando-se um íon negativo qualquer, a energia reticular decresce à
medida que aumenta o tamanho do metal.
A energia de hidratação também diminui à medida que os íons metálicos se
tornam maiores.
Solubilidade
Série dos Lantanóides
Na maioria dos casos, a energia de
hidratação decresce mais rapidamente que a
energia de reticular: logo os compostos se
tornam menos solúveis à medida que o metal
aumenta de tamanho.
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Série dos Lantanóides
Cor dos compostos
 Muitos íons dos lantanóides são coloridos, tanto no estado sólido como em solução;
 As cores observadas, em primeiro momento, ocorrem devido as transições f-f;
 Transições proibidas – cores pouco intensas;
Depende do número de elétrons
desemparelhado
Elementos com ( n ) elétrons f tem
uma cor semelhante de um com (14 - n)
Números mágicos → 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126 e 184.
Regra de Harkis
Série dos Lantanóides
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Série dos Lantanóides
Abundância e número de isótopos
Elementos com número
atômico par são mais
abundantes que seus
vizinhos com número
atômicos impares.
Regra de Harkins
 A partir do Ac – actínio - inicia o preenchimento do penúltimo nível d →
(6d17s2).
 Propriedades parecidas com os elementos do bloco d;
Série dos actinóides
Energia entre os orbitais 5f e 6d
é muito pequena
Nós mais pesados os orbitais 5f 
Passam a ter energia menor
Até 1940, acreditava-se que esses
elementos pertenciam ao bloco d.
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Série dos actinóides
Os primeiros
membros da série
ocorrem em uma
rica variedade de
estados de
oxidação.
Estados de oxidação - Diagrama de Frost
ACTÍNIO(Ac)
Usado em geradores termoelétricos
TÓRIO(Th)
Aumenta a refração de vidros para
lentes de câmeras e de binóculos
Série dos actinóides - Aplicações
PLUTÔNIO(Pu)
Usado nas missões lunar Apollo, como potência, e 
em equipamentos para uso na superfície lunar.
AMERÍCIO(Am)
Fonte de ionização para detector de fumaça
CÚRIO(Cm)
Elemento radioativo 
(fonte portátil para radiografia gama)
URÂNIO(U)
Indústria de aeronaves - urânio metálico
Combustível nuclear para reatores de potência 
na produção de energia elétrica; 
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ENERGIA NUCLEAR
Padrão de estabilidade
molecular
Razão nêutron-proton
• Quanto mais pesado o núcleo, mais
nêutrons são necessários para a
estabilidade.
• A faixa de estabilidade desvia da
razão nêutron-próton de 1:1 para
massa atômica alta.
• Urânio – Z=92 – N/P= 1,6
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Padrão de estabilidade molecular 
Positron Captura
elétron
Gama
Alfa
Beta
238
92U → 
234
90Th + 
4
2He + energia alfa
Beta10 → 
1
1p + 
0
-1e + 
ENERGIA NUCLEAR
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Energia de ligação  Defeito de massa
2 1H + 2 10 → 
4He
Dm = m(4He ) - (2mp + 2mn)
He – 4,0026muH – 1,0078mu n – 1,0087mu
Dm = - 0,0304mu
1 u.m.a. → 1,6605 10-27 Kg
Elig= Dm c
2
Elig = - 0,0304 x 1,6605 10
-27 Kg (3,00 108ms-1)2
Elig = 4,54x 10
-12 Kg.m2s-2 = 4,54 x 10-12 j 
1MeV = 1,602x10-19j
28,3 MeV
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 Começou a produzir energia nuclear 
na década de 60 com o Programa 
Nuclear Brasileiro.
 As principais usinas estão na central 
nuclear Almirante Álvaro Pinto que 
conta com as usinas Angra 1, 2 e 3, em 
Angra dos Reis-RJ. No momento 
Angra 2 está em funcionamento.
 O relevo brasileiro é favorável à 
utilização de hidrelétricas, sendo 
portanto a energia nuclear uma fonte 
alternativa. 
No Brasil:
Energia nuclear: vantagens e desvantagens
Conservação de produtos agrícolas
Vantagem: durabilidade do alimento.
Desvantagem: processo caro.
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 Resultantes de fissão nuclear 
descontroladas, causando 
explosão, liberam grande 
quantidade de energia e 
radioativos tóxicos.
 O primeiro teste nuclear foi Trinity 
test que ocorreu em 1945, no 
deserto de Alamo Gordo, no Novo 
México.
 O segundo e o terceiro ocorreram 
nas cidades de Hiroshima e de 
Nagasaki, no bombardeio dos EUA 
do Japão no final da Segunda 
Guerra Mundial.
Bomba Atômica
Série dos actinóides
 Todos os elementos posterior ao chumbo possui núcleo
instável e sobre decaimento.
 Uranio e Tório possuem meia vida muito longa (4,5.109 anos) ;
 Esses dois elementos podem ser manipulados em condições 
adequadas;
 Termopilha, converte calor em eletricidade → marca-passos;
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DO COBRE AO COBRE - será
elegantemente demonstrado como a
síntese inorgânica pode ser
convenientemente utilizada para a
preparação dos mais variados compostos
de cobre, num experimento em que se
começa e termina com cobre metálico.
DO COBRE AO COBRE
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CARÁTER NOBRE
Os metais localizados à direita do bloco d são 
resistentes à oxidação. 
Essa resistência é mais evidente para a prata, ouro 
e os metais 4d, 5d e do grupo 8 a 10.
Grupo 8 a 10: metais do grupo da 
platina (ocorrem em minérios 
contendo platina)
𝑰 𝜶
𝒛𝒆𝒇
𝟐
𝒏𝟐
DO COBRE AO COBRE
Zef = Z - S ns > np > nd > nf
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DO COBRE AO COBRE
Estados de oxidação - Diagrama de Frost
Cu2+  Cu+  Cu
Fe3+  Fe2+  Fe
Comproporcionamento
Desproporcionamento
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1 - Pese 100 mg de cobre, e adicione ao metal 2,0 mL de
uma solução de HNO
3
a 6,0 mol/L (use um Erlenmeyer de
30 mL). Se necessário, adicione um volume maior da
solução do ácido, até que todo o metal tenha sido
consumido
Procedimento Experimental
Não reagem com agua nem
com ácidos liberando H2.
ΔG = - nFEo
Sendo um ácido forte reage facilmente com metais, bases, óxidos
metálicos e sais de ácidos fracos (carbonatos, sulfitos e sulfetos)
formando cloretos metálicos.
Solução concentrada de HCl e HNO3, ÁGUA RÉGIA, ataca Au e 
Pt.
HCl HNO3 Au AuCl3 NO H2O
+ + + 2+3
H[AuCl4] 
HCl (excesso)
ácido cloro aurico
HCl HNO3 Pt PtCl4 NO H2O
12 4 3 3 4 8+ + + +
𝑰 𝜶
𝒛𝒆𝒇
𝟐
𝒏𝟐
DO COBRE AO COBRE
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Procedimento Experimental
Reação 1:
2- Adicione, gota a gota, uma solução de NaOH a 6,0 mol/L à
solução da etapa 1, até que a solução torne-se básica (use
papel indicador). Observe o precipitado formado.
Procedimento Experimental
Reação 2:
Cu(NO3)2(aq) + 2NaOH(aq) → Cu(OH)2(s) + 2NaNO3(aq)
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Procedimento Experimental
Cu2+(aq) + 2NaOH(aq) ↔ [Cu(H2O)6]
2+
Íon hexaaquocobre(II), [Cu(H2O)6]
2+. As duas ligações
axiais Cu−O têm distâncias de 238 pm, enquanto que as
quatro ligações equatoriais Cu−O têm distâncias de ~195
pm.
COMPOSTOS DE COORDENAÇÃO COM DISTORÇÕES 
GEOMÉTRICAS
238 pm
195 pm
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Campo Cristalino Octaédrico
Efeito Jahn-Teller
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3 - Aqueça o precipitado (junto com a solução)
formada no item 2, a 120
o
C. A formação de um
precipitado preto será observada. Filtre o
precipitado obtido, descarte o filtrado e lave o
precipitado com 2,0 mL de água.
Cu(OH)
2(s)
→ CuO
(s)
+ H
2
O
(l)
D
Procedimento Experimental
Cu2+(aq) + 2NaOH(aq) ↔ [Cu(H2O)6]
2+
Reação 5:
CuO(s) + H2SO4(aq) → CuSO4(aq) + H2O(l)
Num béquer de 50 mL, acrescente 6,0 mL de H
2
SO
4
a 3,0 mol/L,
acrescente, em seguida, ao precipitado preto formado na etapa 3.
Agite a mistura até que todo o sólido tenha se dissolvido(se
necessário, acrescente um pouco mais da solução ácida).
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CuSO4(aq) + Zn(s) → Cu(s) + ZnSO4(s)
4- Acrescente à solução obtida no item quatro, 800 mg de zinco
em pó. Agite a mistura. Observe a precipitação de cobre
metálico. Filtre o precipitado obtido.
Procedimento Experimental