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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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