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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,compostos de fósforo e outras
impurezas).
Fonte: Rayner-Canham e Overton
O ferro puro (contendo zero de carbono) tem um ponto de fusão de 1538 oC. O
aumento do teor de carbono diminui o ponto de fusão e isso é extremamente
importante para a compreensão do desenvolvimento da fabricação de ferro. O
chamado ferro gusa contém uma ampla variedade de impurezas, como silício,
enxofre, fósforo, carbono e oxigênio. O carbono é elemento que contribui para a
fragilidade do metal e pode estar presente em até 4,5%.
De qualquer forma, o ferro raramente é usado na forma pura, mas os níveis de
impureza devem ser controlados para fornecer as propriedades exigidas. O
Processo Básico a Oxigênio é um dos métodos para controle do teor de impurezas
e consiste também em um forno, mas nesse caso o processo não é contínuo. Um
fluxo de oxigênio diluído com dióxido de carbono é soprado no forno (não pode ser
usado ar devido à reação do nitrogênio com ferro que leva à formação de nitreto de
ferro quebradiço).
No processo, o carbono é oxidado a monóxido de carbono, que queima no topo
do forno gerando CO2 e o silício (impureza) é oxidado a dióxido de silício que, então
reage com óxidos de outros elementos formando a escória. Impurezas ácidas de
fósforo reagem com calcário (revestimento do forno). A escória é então vertida para
fora e quaisquer elementos traços necessários são adicionados ao ferro fundido.
Para o aço normal, requer-se entre 0,1 e 1,5% de carbono, mas as características
dessa liga podem ser alteradas pela adição de proporções controladas de outros
elementos.
Na produção do ferro-gusa usa-se minério de ferro, calcário e carvão em
quantidades da ordem de toneladas. Se for usado menos minério de ferro, serão
desperdiçados carvão e calcário, além de ser gerado um produto final de má
qualidade. Se for usado menos carvão ou calcário, sobrará minério de ferro sem
reagir. Os prejuízos, em ambos os casos, serão grandes. Para que não haja
desperdício é preciso que os reagentes sejam adicionados em uma proporção ideal.
Você deve ter se perguntado no decorrer desse texto “Mas qual a equação
química que representa o processo de obtenção do metal a partir de seu minério?
A produção de cobre por pirometalurgia e hidrometalurgia e a produção de ferro
por pirometalurgia são excelentes exemplos para apresentar os conceitos de
estequiometria. Portanto, apresentar os processos com todas as suas equações dá
ao aluno uma visão de quão complexa é a produção desses dois metais, mas ao
mostrar qual a equação química que representará o processo, faz com que o
estudante tenha uma visão simplificada do processo.
Referências
Geoff Rayner-Canham e Tina Overton, Química inorgânica descritiva, 5ª edição, LTC, Rio de
Janeiro, 2015.
Peter Atkins e Loretta Jones, Princípios de Química: Questionando a vida moderna e o meio
ambiente, 5ª edição, Bookman, Porto Alegre, 2012.

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