PPTs _ Capítulo 23 Metais e metalurgia

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Capítulo 23
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Capítulo 23
Metais e metalurgia
QUÍMICA
 A Ciência Central 
9ª Edição
David P. White
Capítulo 23
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	A história antiga é dividida em Idade da Pedra, Idade do Bronze e Idade do Ferro.
	Se considerarmos um motor de um jato, existem 7 metais presentes. O Fe não está.
	Um motor de jato moderno consiste principalmente de Te e Ni com quantidades decrescentes de Cr, Co, Al, Nb e Ta.
	A parte sólida da Terra é chamada de litosfera.
	Depósitos de metais concentrados são encontrados abaixo da superfície terrestre.
Ocorrência e distribuição 
dos metais
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Minerais
	Minério: depósito que contém metal suficiente para ser extraído economicamente.
	A maioria dos metais é encontrada em minerais.
	Os nomes dos minerais normalmente são baseados na localização de sua descoberta
	A outros minerais são dados os nomes de suas cores: malaquita vem do grego malache (o nome da árvore com folhas muito verdes).
	Os minérios mais importantes são óxidos, sulfetos e carbonatos.
Ocorrência e distribuição 
dos metais
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Ocorrência e distribuição 
dos metais
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Metalurgia
	Metalurgia é a ciência e a tecnologia de extração de metais dos minerais.
	Existem cinco etapas importantes:
	Mineração (remoção do minério do solo);
	Concentração (preparação para tratamento futuro);
	Redução (obtenção do metal livre no estado de oxidação zero);
	Refino (obtenção do metal puro) e
	Mistura com outros metais (para formar uma liga).
Ocorrência e distribuição 
dos metais
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	Pirometalurgia: uso de altas temperaturas para a obtenção do metal livre.
	Diversas etapas são empregadas: 
	Calcinação é o aquecimento do minério para provocar a decomposição e a eliminação de um produto volátil:
PbCO3(s)  PbO(s) + CO2(g)
	Ustulação é o aquecimento que provoca reações químicas entre o minério e a atmosfera da fornalha:
Pirometalurgia
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2ZnS(s) + 3O2(g)  2ZnO(s) + 2SO2(g)
2MoS2(s) + 7O2(g)  2MoO3(s) + 4SO2(g)
	Fusão de minérios é um processo de derretimento que faz com que os materiais se separem em duas ou mais camadas.
	A escória consiste principalmente em silicatos derretidos junto com aluminatos, fosfatos, fluoretos e outros materiais inorgânicos.
	O refino é o processo durante o qual um metal bruto impuro é convertido em um metal puro.
Pirometalurgia
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Pirometalurgia do ferro
	As fontes mais importantes de ferro são a hematita, Fe2O3 e a magnetita, Fe3O4.
	A redução ocorre em um alto-forno.
	O minério, o calcário e o coque são adicionados ao topo do alto-forno.
	Coque é o carvão que foi aquecido para expelir os componentes voláteis.
Pirometalurgia
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Pirometalurgia
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Pirometalurgia do ferro
	O coque reage com o oxigênio para formar CO (o agente redutor):
2C(s) + O2(g)  2CO(g), H = -221 kJ
	O CO é também produzido pela reação do vapor d’água no ar com C:
C(s) + H2O(g)  CO(g) + H2(g), H = +131 kJ
	Uma vez que essa reação é endotérmica, se o alto-forno fica quente demais, adiciona-se vapor d’água para resfriá-la sem interromper a química.
Pirometalurgia
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Pirometalurgia do ferro
	Em torno de 250C, o calcário é calcinado (aquecido para decomposição e eliminação dos voláteis).
	Também em torno de 250C, os óxidos de ferro são reduzidos pelo CO:
Fe3O4(s) + 4CO(g)  3Fe(s) + 4CO2(g), H = -15 kJ
Fe3O4(s) + 4H2(g)  3Fe(s) + 4H2O(g), H = +150 kJ
	O ferro fundido é produzido bem abaixo no alto-forno e removido no fundo.
	A escória (materiais de silicato fundido) é removida acima do ferro derretido.
Pirometalurgia
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Pirometalurgia do ferro
	Se o ferro vai ser transformado em aço, ele é derramado diretamente em uma fornalha básica de oxigênio.
	O ferro fundido é convertido em aço, uma liga de ferro.
	Para remover as impurezas, o O2 é soprado através da mistura derretida.
	O oxigênio oxida as impurezas.
Formação do aço
	Aço é uma liga de ferro.
Pirometalurgia
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Formação do aço
	Do alto-forno, o ferro é derramado em um conversor.
	Um conversor consiste de uma camada de aço encapsulando um revestimento de tijolo refratário.
	Após o tratamento no alto-forno, existem impurezas no ferro que devem ser removidas por oxidação.
	Não pode haver ar no conversor porque o nitrogênio formará nitrito de ferro (faz com que o aço se torne quebradiço).
Pirometalurgia
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Pirometalurgia
Formação do Aço
	O oxigênio diluído com o Ar é usado como agente oxidante.
	Quando o oxigênio emerge do conversor, então todas as impurezas foram oxidadas e o ferro é derramado em uma concha.
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Formação do aço
	Hidrometalurgia é a extração de metais de minérios com a utilização de água.
	Lixívia é a dissolução seletiva do mineral desejado.
	Os agentes típicos da lixívia são ácidos dilutos, bases, sais e, algumas vezes, água.
	O ouro pode ser extraído de minério de baixo grau através de cianidação:
Hidrometalurgia
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Formação do aço
	O NaCN é borrifado sobre o minério triturado e o ouro é oxidado:
4Au(s) + 8CN-(aq) + O2(g) + 2H2O(l)  4Au(CN)2-(aq) + 4OH-(aq)
	O ouro é então obtido através de redução:
2Au(CN)2-(aq) + Zn(s)  Zn(CN)42-(aq) + 2Au(s)
Hidrometalurgia do alumínio
	O alumínio é o segundo metal mais útil.
	A bauxita é um mineral que contém Al como Al2O3.xH2O.
Hidrometalurgia
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Hidrometalurgia do alumínio
	O processo de Bayer:
	O minério triturado é dissolvido em NaOH 30% (em massa) a 150 - 230C e alta pressão (30 atm para impedir a ebulição).
	Al2O3 dissolve:
Al2O3.H2O(s) + 2H2O(l) + 2OH-(aq)  2Al(OH)4-(aq)
	A solução de aluminato é separada através da redução do pH.
	A solução de aluminato é calcinada e reduzida para produzir o metal.
Hidrometalurgia
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Eletrometalurgia do sódio
	Eletrometalurgia é o processo de obtenção de metais através de eletrólise.
	Dois materiais de partida diferentes: sal derretido ou solução aquosa.
	O sódio é produzido por eletrólise do NaCl fundido em uma célula de Downs.
	O CaCl2 é usado para reduzir o ponto de fusão do NaCl de 804C para 600C.
Eletrometalurgia
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Eletrometalurgia
Capítulo 23
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Eletrometalurgia do sódio
	Um protetor de ferro é usado para separar o Na e o Cl (para que o NaCl não se forme outra vez).
	No catodo (ferro): 2Na+(aq) + 2e-  2Na(l)
	No anodo (carbono): 2Cl-(aq)  Cl2(g) + 2e-
Eletrometalurgia do alumínio
	A célula de eletrólise do processo de Hall é usada para a produção do alumínio.
	O Al2O3 funde à 2000C e não é prático fazer eletrólise no sal fundido.
Eletrometalurgia
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Eletrometalurgia do alumínio
	Hall: usa o Al2O3 purificado em criolita fundida (Na3AlF6, ponto de fusão 1012C).
	Anodo: C(s) + 2O2-(l)  CO2(g) + 4e-
	Catodo: 3e- + Al3+(l)  Al(l)
	Os bastões de grafite são consumidos na reação.
	Processo de Bayer: a bauxita (~ 50 % de Al2O3) é concentrada para produzir óxido de alumínio.
Eletrometalurgia
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Eletrometalurgia
Eletrometalurgia do alumínio
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Eletrometalurgia do alumínio
	Para a produção de 1.000 kg de Al, precisamos de 4.000 kg de bauxita, 70 kg de criolita, 450 kg de anodos de C e 56  109 J de energia.
Eletrorrefinamento do cobre
	Por causa de sua boa condutividade, o Cu é usado para fazer fios elétricos.
	As impurezas reduzem a condutividade, assim, necessita-se de cobre puro na indústria eletrônica.
Eletrometalurgia
Capítulo 23
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EletrometalurgiaCapítulo 23
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Eletrorrefinamento do cobre
	Placas de Cu impuro são usadas como anodos, chapas finas de Cu puro são os catodos.
	O sulfato de cobre ácido é usado como o eletrólito.
	A voltagem através dos eletrodos é planejada para produzir cobre no catodo.
	As impurezas metálicas não se depositam no catodo.
	Os íons metálicos são coletados no sedimento no fundo da célula.
Eletrometalurgia
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Eletrometalurgia
Capítulo 23
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Propriedades físicas dos metais
	Importantes propriedades físicas dos metais puros: maleáveis, dúcteis, bons condutores e frios ao tato.
	A maioria dos metais é sólido com átomos em um empacotamento denso.
	No Cu, cada átomo está rodeado por 12 vizinhos.
	Não existem elétrons suficientes para que os átomos metálicos estejam ligados covalentemente entre si.
Ligação metálica
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Modelo de mar de elétrons para a ligação metálica
	Utilizamos um modelo deslocalizado para os elétrons em um metal.
	Os núcleos do metal existem em um selo de elétrons.
	Nenhum elétron é localizado entre dois átomos de metal.
	Assim, os elétrons podem fluir livremente através do metal.
	Sem quaisquer ligações definidas, os metais são fáceis de deformar (e são maleáveis e dúcteis).
	Problemas com o modelo do mar de elétrons:
	À medida que o número de elétrons aumenta, a força da ligação deveria aumentar e o ponto de fusão deveria aumentar.
Ligação metálica
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Modelo de mar de elétrons para a ligação metálica
	Porém: os metais do grupo 6B têm os pontos de ebulição mais altos (centro dos metais de transição).
Ligação metálica
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Ligação metálica
Capítulo 23
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Modelo do orbital molecular para os metais
	A ligação deslocalizada requer que os orbitais atômicos em um átomo interajam com orbitais atômicos em átomos vizinhos.
	Exemplo: os elétrons da grafita estão deslocalizados sobre um plano inteiro, as moléculas de benzeno têm elétrons deslocalizados sobre um anel. 
	Lembre-se: o número de orbitais moleculares é igual ao número de orbitais atômicos.
	Nos metais há um número muito grande de orbitais.
Ligação metálica
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 Modelo do orbital molecular para os metais
	À medida que o número de orbitais aumenta, seu espaçamento de energia diminui e eles se ligam.
	O número de elétrons não preenche completamente a banda de orbitais.
	Conseqüentemente, os elétrons podem ser promovidos para bandas de energia desocupadas.
	Uma vez que as diferenças de energia entre os orbitais são pequenas, a promoção de elétrons ocorre com um pequeno gasto de energia.
Ligação metálica
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 Modelo do orbital molecular para os metais
Ligação metálica
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Modelo do orbital molecular para os metais
	Ao movermos ao longo da série de metais de transição, a banda antiligante começa a ficar preenchida.
	Desta forma, a primeira metade da série de metais de transição tem apenas interações ligante-ligante, a segunda metade tem interações ligante-antiligante.
	Espera-se que o meio da série de metais de transição tenha os pontos de fusão mais altos.
	O intervalo de energia entre as bandas é chamado de intervalo de bandas.
Ligação metálica
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	As ligas têm mais de um elemento com características de metais.
	Os metais puros e as ligas têm propriedades físicas diferentes.
	Na joalheria, usa-se uma liga de ouro e cobre (a liga é mais resistente do que o ouro macio).
	As soluções de ligas são misturas homogêneas.
	Ligas heterogêneas: os componentes não estão dispersos uniformemente (por exemplo, aço de perlita tem duas fases: Fe quase puro e cementita, Fe3C).
Ligas
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Ligas
Capítulo 23
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	Existem dois tipos de solução liga de:
	Ligas substituintes (os átomos do soluto tomam as posições do solvente);
	Ligas intersticiais (o soluto ocupa sítios intesticiais na rede metálica).
	As ligas substituintes:
	os átomos devem ter raios atômicos semelhantes,
	os elementos devem ter características ligantes semelhantes.
Ligas
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	As ligas intersticiais:
	um elemento deve ter um raio significativamente menor do que o outro (para que caiba no sítio intersticial), por exemplo, um não-metal.
	A liga é bem mais forte do que o metal puro (ligação fortalecida entre não-metal e metal).
	Exemplo: aço (contém até 3% de carbono).
Ligas
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Ligas
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Propriedades físicas
	Os metais de transição ocupam o bloco d da tabela periódica.
	Quase todos têm dois elétrons s (exceto o grupo 6B e o grupo 1B).
	A maior parte desses elementos é muito importante na tecnologia moderna.
	As propriedades físicas dos metais de transição podem ser classificadas em dois grupos: propriedades atômicas (por exemplo, tamanho) e propriedades de volume (por exemplo, ponto de fusão).
Metais de transição
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Propriedades físicas
	As tendências atômicas tendem a ser regulares para os metais de transição.
Metais de transição
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Propriedades físicas
	As tendências atômicas tendem a ser regulares para os metais de transição.
Metais de transição
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Propriedades físicas
	A maioria das tendência nas propriedades de volume é menos regular do que as propriedades atômicas.
	As tendências nas propriedades atômicas dos metais de transição podem ser exemplificadas com o raio atômico.
	O raio atômico diminui e alcança um mínimo perto do grupo 8B (Fe, Co, Ni) e então aumenta para os grupos 1 e 2.
	Essa tendência é de novo entendida em termos da carga nuclear efetiva.
Metais de transição
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Propriedades físicas
	O aumento no tamanho dos elementos das tríades do Cu e do Zn é justificado em termos dos orbitais d totalmente preenchidos.
	Em geral, o tamanho atômico aumenta ao descermos em um grupo.
	Uma importante exceção: o Hf tem quase o mesmo raio do Zr (grupo 4B): poderíamos esperar que o Hf fosse maior do que o Zr.
	Entre o La e o Hf completa-se o nível 4f (Lantanídeos).
	À medida que os orbitais 4f são preenchidos, a carga nuclear efetiva aumenta e os lantanídeos contraem regularmente.
	A contração dos Lantanídeos equilibra o aumento de tamanho que previmos entre o Hf e o Zr.
Metais de transição
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Propriedades físicas
	A segunda e a terceira série são normalmente quase do mesmo tamanho, a primeira série sendo menor.
	Os metais da segunda e da terceira série são muito semelhantes em termos de propriedades (por exemplo, o Hf e o Zr são sempre encontrados juntos em minérios e são muito difíceis de separar). 
Metais de transição
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Metais de transição
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Configurações eletrônicas e estados de oxidação
	Apesar do orbital d (n - 1) ser preenchido após o orbital ns, os elétrons são inicialmente perdidos do orbital com n mais alto.
	Isto é, os metais de transição perdem os elétrons s antes dos elétrons d.
	Exemplo: Fe: [Ar]3d64s2, Fe2+: [Ar]3d6.
	Os elétrons d são responsáveis por algumas propriedades importantes:
	os metais de transição têm mais de um estado de oxidação,
Metais de transição
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Configurações eletrônicas e estados de oxidação
	os compostos de metais de transição são coloridos (devido às transições eletrônicas),
	os compostos de metais de transição têm propriedades magnéticas.
	Observe que todos os estados de oxidação para os metais são positivos.
	O estado de oxidação +2 é comum porque ele corresponde à perda de ambos os elétrons s. (Exceção: o estado de oxidação +3 é isoeletrônico com o Ar.)
	O estadode oxidação comum máximo é +7 para Mn.
Metais de transição
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Configurações eletrônicas e estados de oxidação
Metais de transição
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Configurações eletrônicas e estados de oxidação
	Para a segunda e a terceira série, o estado de oxidação máximo é +8 para o Ru e o Os (RuO4 e OsO4).
Magnetismo
	O magnetismo fornece informações importantes sobre a ligação.
	Existem três tipos de comportamento magnético (mostrados aqui em ordem):
	Diamagnético (nenhum átomo ou íon com momentos magnéticos).
	Paramagnético (momentos magnéticos não alinhados fora de um campo magnético).
Metais de transição
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Magnetismo
	Ferromagnético (centros magnéticos acoplados alinhados em um sentido comum).
	O spin do elétron gera um campo magnético com um momento magnético.
	Quando dois spins são contrários os campos magnéticos se cancelam (diamagnético).
	As substâncias diamagnéticas são fracamente repelidas por campos magnéticos externos.
	Quando os spins estão desemparelhados, os campos magnéticos não se cancelam (paramagnético).
Metais de transição
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Magnetismo
	Geralmente, os elétrons desemparelhados em um sólido não são influenciados por elétrons desemparelhados adjacentes. Isto é, os momentos magnéticos são aleatoriamente orientados.
	Quando materiais paramagnéticos são colocados em um campo magnético, os elétrons ficam alinhados.
	Ferromagnetismo é um caso especial de paramagnetismo onde os momentos magnéticos estão permanentemente alinhados (por exemplo, Fe, Co e Ni).
Metais de transição
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Magnetismo
	Os óxidos ferromagnéticos são usados em gravação magnética de fita (por exemplo, CrO2 e Fe3O4).
Metais de transição
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Cromo
	Na ausência de ar, o Cr reage com ácido para formar uma solução azul de Cr2+ :
Cr(s) + 2H+(aq)  Cr2+(aq) + H2(g)
	Na presença de ar, o Cr2+ oxida-se facilmente a Cr3+:
4Cr2+(aq) + O2(g) + 4H+(aq)  4Cr3+(aq) + 2H2O(l)
	Na presença de Cl-, o Cr3+ forma o íon verde Cr(H2O)4Cl2+.
	Em solução aquosa, o Cr normalmente está presente no estado de oxidação +6.
A química de alguns 
metais de transição
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Cromo
	Em cromato básico, o CrO42-, é o íon mais estável.
	Em dicromato ácido, o Cr2O72-, é o íon mais estável.
	O cromato é um íon amarelo bem mais escuro do que o dicromato.
Ferro
	Em solução aquosa, o ferro está presente nos estados de oxidação +2 (ferroso) ou +3 (férrico).
	O ferro reage com agentes não-oxidantes para formar Fe2+(aq).
	Na presença de ar, o Fe2+ é oxidado a Fe3+.
A química de alguns 
metais de transição
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Ferro
	Como com a maior parte dos íons metálicos, o ferro forma íons complexos, Fe(H2O)6n+ em água.
	Em solução ácida, o Fe(H2O)63+ é estável, mas em base o Fe(OH)3 precipita-se.
	Se NaOH é adicionado a uma solução de Fe3+(aq), forma-se um precipitado amarronzado de Fe(OH)3.
Cobre
	Em solução aquosa, o cobre tem dois estados de oxidação dominantes: +1 (cuproso) e +2 (cúprico).
A química de alguns 
metais de transição
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Cobre
	O Cu+ tem uma configuração eletrônica 3d 10.
	Os sais de Cu(I) tendem a ser brancos e insolúveis em água.
	O Cu(I) desproporciona-se:
2Cu+(aq)  Cu2+(aq) + Cu(s)
	O Cu(II) é o estado de oxidação mais comum.
	O vitríolo azul é CuSO4.5H2O.
	Em solução aquosa, quatro moléculas de água estão coordenadas ao Cu e uma está ligada através de ligação de hidrogênio ao sulfato.
A química de alguns 
metais de transição
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Cobre
	Dentre os sais de cobre(II) solúveis em água, incluem-se Cu(NO3)2, CuSO4 e CuCl2.
	Entretanto, o Cu(OH)2 é insolúvel e pode ser precipitado pela adição de NaOH a uma solução contendo íons de Cu2+.
A química de alguns 
metais de transição
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Fim do Capítulo 23
Metais e metalurgia