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Representação de uma transformação química

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ENSINO DE QUÍMICA
Representação de uma transformação química.
Objetivo: Refletir sobre qual a importância de conhecer uma reação química e
representá-la corretamente. Conhecer os processos de pirometalurgia do ferro e do
cobre, hidrometalurgia do cobre e seu eletrorrefinamento. Relacionar as várias
reações químicas, definir qual equação química representa o processo global e
calcular as quantidades dos reagentes envolvidas nos processos.
A química é frequentemente interpretada em três níveis. No primeiro, trata da
matéria e suas transformações em que podemos ver mudanças como quando um
combustível queima, a formação de ferrugem, a luz forte quando magnésio é
queimado ao ar. Ou seja, o nível macroscópico.
Existe, contudo, acontecimentos que não podemos ver diretamente, o nível
microscópico, que ocorrem por meio de rearranjo dos átomos. E o terceiro nível é o
simbólico que é a descrição dos fenômenos químicos por meio de símbolos
químicos e equações matemáticas. Esse nível mantém unido os outros dois e
podemos representa-los como um triângulo. Portanto, para entender as
transformações químicas devemos pensar no nível microscópico, conduzir
experimentos no nível macroscópico e representar as duas coisas por meio
simbólico. Algumas vezes trabalhamos mais perto de um dos vértices do que dos
demais, mas é importante ter em mente a possibilidade de transitar de um modo ao
outro dentro do triângulo.
Fonte: Atkins & Jones
Por exemplo, a adição de uma solução aquosa de hidróxido de sódio em uma
solução aquosa de ácido clorídrico leva a formação de dois produtos?
A solução de ácido clorídrico é incolor assim como a de hidróxido de sódio. O
ácido é forte e deve estar 100% ionizado, assim como a base que deve estar
totalmente dissociada devido à sua elevada força. Ao misturá-las não enxergamos
nenhuma transformação:
Temos a tendência de explicar aos nossos alunos que ao misturarmos uma solução
de ácido e uma de base, sempre formaremos um sal mais água! Mas no caso do
exemplo a cima forma um sal solúvel em água e deveríamos representar na
equação química apenas a transformação química que de fato ocorreu, ou seja,
utilizando equação iônica simplificada.
Notem que essa transformação química ocorre em solução aquosa e que ela deve
ser representada como tal:
H+(aq) + OH-(aq) → H2O(l)
Ou, talvez, o melhor fosse mostrar aos estudantes a equação iônica completa e na
sequência mostrar que alguns íons (íons espectadores), presentes durante a
reação, permanecem inalterados. Dessa forma, o aluno teria um entendimento
completo do triângulo discutido anteriormente e consequentemente da química de
uma maneira geral.
Os estados físicos da matéria frequentemente são designados, o que também
reflete na correta representação da transformação química. Algumas
transformações químicas ocorrem apenas em condições especiais como calor, luz
ou pressão e geralmente isso é feito colocando um símbolo sobre a seta. O ponto
que deve ficar claro é que a forma como representamos a transformação química
(nível simbólico) deve ser a interpretação do que enxergamos (nível macroscópico)
e do que não enxergamos (nível macroscópico).
Vamos agora particularizar as representações dos três vértices dos triângulos para
obtenção do cobre e do ferro.
O minério de cobre mais comum é o sulfeto de cobre(I) e ferro(III) (CuFeS2) um
sólido com aparência metálica chamado de calcopirita ou pirita de cobre. A extração
do cobre a partir do sulfeto pode ser feita por meio de um processo térmico
(pirometalúrgico) ou um processo aquoso (hidrometalúrgico).
No processo pirometalúrgico, o minério concentrado é aquecido (processo
denominado de torrefação) em um limitado suprimento de ar de maneira a
decompor o sulfeto misto:
Adiciona-se areia à mistura fundida e o líquido formado, que flutua na superfície,
pode ser derramado para fora. Novamente é adicionado ar para causar uma reação
de oxiredução .
O fornecimento de ar é suspenso depois da oxidação de aproximadamente dois
terços do sulfeto de cobre(I) e a mistura de óxido e sulfeto de cobre sofre uma
reação redox incomum, resultado em cobre metálico impuro.
Esse processo tem a vantagem de possuir a química e a tecnologia muito bem
estabelecidas, mas tem desvantagens, como por exemplo, que o minério deve estar
bastante concentrado, há uma grande exigência de energia no processo de fundição
e uma grande quantidade de dióxido de carbono é emitida.
Por outro lado, a hidrometalurgia, conhecida há séculos, possui muitas vantagens:
seus subprodutos geralmente causam menos problemas ambientais que os gases
de combustão e escória de uma fundição; as plantas industriais podem ser
construídas em uma pequena escala e, então, expandidas, enquanto uma fundição
precisa ser em grande escala para ser economicamente viável; não são necessárias
altas temperaturas, então o consumo energético é menor; e pode utilizar minérios
de qualidade inferior (com menor teor de metal).
Os processos hidrometalúrgicos consistem geralmente em três etapas gerais:
lixiviação, concentração e recuperação. A lixiviação é frequentemente realizada por
moagem e amontoamento do minério, seguida de pulverização com ácido diluído
para o caso do cobre ou íon cianeto quando se trata da extração da prata ou ouro.
Em alguns casos utiliza-se solução da bactéria Thiobacillus ferrooxidans (processo
bioidrometalúrgico) que oxida os sulfetos insolúveis do metal a um sulfato solúvel.
No caso específico do cobre, as piritas de cobre são oxidadas ao ar em
suspensão ácida
Nesse método o enxofre é liberado na forma de solução de íon sulfato e enxofre
elementar sólido em vez do dióxido de enxofre produzido no processo
pirometalúrgico. O cobre metálico é obtido por eletrólise e o oxigênio formado nessa
etapa do processo pode ser usado na primeira etapa do processo.
Esse cobre impuro (anteriormente o cátodo da reação) é transformado em anodo de
uma célula eletrolítica que contém tiras puras de cobre como cátodo imersas em
solução de sulfato de cobre(II) para obtenção de cobre refinado eletroliticamente
com 99,95% de pureza. Durante essa eletrólise, o cobre é transferido do anodo para
o cátodo e forma-se uma lama anódica que contém prata e ouro, o que torna o
processo economicamente viável.
As fontes mais comuns de ferro são os óxidos de ferro(III), Fe2O3, e óxido de
ferro(II) e ferro(III), Fe3O4, que são a hematita e magnetita, respectivamente. A
extração convencional do ferro é realizada por meio de um processo térmico
(pirometalúrgico) em um alto-forno que pode ter entre 25 a 60 m de altura e até 14
m de diâmetro. Este forno é construído em aço e de material resistente tanto ao
calor quanto à corrosão e funcionam initerruptamente produzindo de mil a dez mil
toneladas de ferro a cada 24 horas.
No processo, uma mistura de minério de ferro, calcário e coque, nas proporções
corretas, é alimentada no topo do forno por meio de um arranjo de cone e funil para
evitar que gases escapem. O ar, pré-aquecido a 600oC pela combustão dos gases
de exaustão, é injetada na parte inferior do forno, o que resulta em movimento dos
gases para cima enquanto os sólidos descem à medida que os produtos são
removidos pelo fundo.
O monóxido de carbono age como agente redutor do minério de ferro. No topo do
forno, a temperatura varia de 200oC à 700oC, suficiente para reduzir o óxido de
ferro(III) a Fe3O4. Mais abaixo no forno, em cerca de 850oC (temperatura
suficientemente elevada para decompor o calcário – CaCO3), este é reduzido à
oxido de ferro(II), que por sua vez será reduzido conforme desce para as regiões
mais quentes do forno e o dióxido de carbono formado volta a ser reduzido a
monóxido de carbono pelo coque. A parte inferior do alto-forno é adaptado com dois
furos de corridas tampados com argila, o inferior para o ferro metálico (mais denso)
e o superior para a escória (menos densa), que são removidos periodicamente para
liberar o fluxo de ferro e escória (silicato de cálcio,