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Escola Secundária Alves Martins Ano lectivo 2009/2010 Química 12º Resumo da matéria – 3º teste Por: Eduardo Faustino, 12ºG

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complexo

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Escola Secundária Alves Martins

Ano lectivo 2009/2010

Química 12ºResumo da matéria – 3º teste

Por: Eduardo Faustino, 12ºG

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Unidade 1

Metais, Ambiente e Vida

dos minerais aos materiais metálicosprocessos mais utilizados na extracção de metais

Quando se pretende obter um metal a partir do seu minério há que provocar, por qualquer processo, a redução do metal.O método de extracção do metal depende da sua reactividade, já que envolve reacções de oxidação-redução.Metais não reactivos (como o ouro) encontram-se livres, não combinados e,

portanto, não são sujeitos aos métodos de extracção tradicionais dos outros metais.

Os dois não-metais, carbono e hidrogénio, estão incluídos na tabela anterior como termos de comparação e são pontos importantes de referência no que diz respeito ao método de extracção e à reactividade com os ácidos.

Exemplos:- Metais reactivos como o ferro podem ser reduzidos com carbono porque este é um redutor mais forte que o ferro.- Metais muito reactivos como o alumínio ou o sódio apenas podem ser extraídos por electrólise (não se usa o carbono pois este é menos reactivo)

a electrólise: uma reacção química forçadaa célula electrolítica

Um dos processos para provocar a ocorrência de uma reacção não espontânea é através do fornecimento da energia necessária para que ela possa ocorrer.Assim sendo, quando se faz passar corrente eléctrica através de um composto iónico fundido ou através de uma solução que contém iões, o electrólito, ocorre uma reacção química que se designa por ELECTRÓLISE.O conjunto constituído por fonte de energia, eléctrodos e electrólito chama-se CÉLULA ELECTRÓLITICA.

Qualquer que seja o electrólito, existem várias hipóteses de oxidação anódica e de redução catódica.

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Metais, Ambiente e Vida

Em qualquer das situações prevalecerá:

a redução do oxidante mais forte (maior valor de E0)a oxidação do redutor mais forte (menor valor de E0)

extracção por redução: métodos químicos e electrolíticos

redução por carbono

Tanto o carbono como o monóxido de carbono são capazes de remover o oxigénio de compostos, pelo que são utilizados para reduzir os metais que se situam abaixo do carbono, na série electroquímica.Um desses metais é o Ferro.

redução por métodos electrolíticos

Quando o metal fica acima do carbono, na série electroquímica, a redução tem de ser feita por via electrolítica - o metal é reduzido por acção da corrente eléctrica, depositando-se no cátodo.Numa célula electrolítica, a corrente fornecida por uma fonte externa é usada para produzir uma reacção redox não espontânea.

Os iões positivos são atraídos electrostaticamente para o cátodo – eléctrodo negativo, onde recebem os electrões (enviados para este eléctrodo por uma bateria ou gerador de corrente) e se depositam.

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Metais, Ambiente e Vida

Os iões negativos são atraídos para o ânodo - eléctrodo positivo - onde se oxidam.

A condução eléctrica nos metais não é do mesmo tipo que nos electrólitos. Nos metais ela é constituída exclusivamente pelo movimento de electrões, que se deslocam num só sentido. Nos electrólitos é constituída pelo movimento de iões positivos num sentido e de iões negativos em sentido oposto.

purificação de metais (cobre)

Os metais produzidos por redução necessitam normalmente de serem purificados (refinação) para poderem ser utilizados para certos fins. No caso de metais de baixo ponto de ebulição, como o mercúrio, o magnésio e o zinco, essa purificação é feita por DESTILAÇÃO, enquanto os restantes metais são purificados por ELECTRÓLISE.

O cobre obtido por USTULAÇÃO REDUTORA do sulfureto contém normalmente Zn, Fe, Ag e Au como impurezas, sendo posteriormente purificado por electrólise. Neste processo o cobre impuro constitui o ânodo, sendo o cátodo constituído por cobre puro, numa solução de ácido sulfúrico

contendo iões Cu2+. Os metais reactivos, como o Fe e o Zn, são também oxidados

extracção do alumínio

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Metais, Ambiente e Vida

aplicações industriais da electrólise Niquelagem e zincagem - A niquelagem e a zincagem são dois processos

industriais de revestimento de uma peça passível de corrosão que dão uma boa resistência aos ataques químicos.

Anodização do alumínio - A oxidação anódica é um processo electrolítico que transforma superfície do alumínio em óxido de alumínio.

A camada anódica – ou revestimento anódico – se distingue de outros revestimentos porque não resulta de uma deposição dos produtos que constituem o revestimento mas sim da transformação do próprio metal no seu óxido.

metais, complexos e corcomplexos e compostos de coordenaçãoOs iões dos metais de transição podem comportar-se como ácidos de Lewis (aceitadores de pares electrónicos).Estes iões podem ligar-se a outras espécies, moléculas ou aniões que possam partilhar com eles pares electrónicos.

Esta ligação, do tipo covalente, difere da outra já conhecida porque o par electrónico é cedido apenas por um dos participantes na ligação – designa-se, por isso, por ligação coordenada ou ligação covalente dativa para alguns autores.

Um IÃO COMPLEXO é um ião metálico (ou átomo) ligado a outras espécies simples, moléculas ou iões, que podem ter, noutras circunstâncias, existência independente como espécies químicas estáveis.

Nos iões complexos:a base de Lewis como é o caso da molécula de água no exemplo anterior, designa-se por ligando e o átomo do ligando que efectivamente doa o par electrónico é o átomo dado;o ácido de Lewis, neste caso o ião Cu2+, designa-se por IÃO CENTRAL e também por aceitador;os LIGANDOS têm, pelo menos, um par de electrões não ligantes (isolados) que é partilhado com o ião central;O NÚMERO DE COORDENAÇÃO é o número de pares electrónicos aceites pelo átomo central.

COMPOSTO DE COORDENAÇÃO – composto, electricamente neutro, que se forma por ligação de um ou mais iões complexos a uma ião simples (ião livre).

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estabilidade de complexos: constantes de formação

constantes de formação

Quando se adiciona uma solução aquosa de amoníaco (NH3(aq)) a uma solução aquosa de CuSO4, forma-se inicialmente um precipitado azul-claro de Cu(OH)2(aq). Pela adição continuada de NH3(aq), o precipitador dissolve-se, dando origem a uma solução azul-forte de ião complexo de [Cu(NH3)4]2+(aq).

A reacção global de formação do complexo pode ser traduzida pela seguinte equação química:

Cu2+(aq) + 4NH3(aq) [Cu(NH3)4]2+ (aq)

A constante deste equilíbrio toma o nome de CONSTANTE DE FORMAÇÃO Kf e tem a seguinte expressão:

[Cu(NH3)42+]

[Cu2+] [NH3]4

Através desta expressão, pode concluir-se que, quanto maior for o valor de Kf maior será:

a concentração do ião complexo no equilíbrio;a sua estabilidade.

o papel dos iões complexos na solubilização de precipitados

O precipitado formado, no exemplo anterior, foi dissolvido por adição de excesso de solução aquosa de amoníaco.

Cu2+ (aq) + 2HO- (aq) Cu(HO)2 (s) (1)Cu2+ (aq) + 4NH3 (aq) [Cu(NH3)4]2+ (2)

Explicação:

O ião complexo [Cu(NH3)4]2+ apresenta um valor muito elevado de Kf = 1,1 x 1013

O ião complexo é estável

Ocorre o equilíbrio (2)

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Kf =

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Metais, Ambiente e Vida

A ocorrência do equilíbrio (2) faz com que a concentração de Cu2+ (aq) diminua, o que implica que o equilíbrio (1) evolua no sentido inverso, até à solubilização completa do precipitado Cu(HO)2.

a importância dos iões complexos

metalurgia – processos de extracção de alguns metais nobres;medicina – tratamento e diagnóstico;indústria – pigmentos para tintas; detergentes, etc;agricultura – correcção da deficiência em ferro;análise química

classificação de ligandos

A classificação dos ligandos é estabelecida em função do número de DUPLETOS que cada um compartilha com o ião central.

LIGANDO MONODENTADO é aquele que partilha um dupleto com o ião/átomo central.LIGANDO POLIDENTADO (bidentado, tridentado, tetradentado...) é aquele que partilha com o ião/átomo central mais do que um dupleto.

Quelato (do grego kele que significa garra) é um ião complexo que contém um ou mais ligandos polidentados.

geometria dos iões complexos

A geometria do ião complexo designa-se por estereoquímica do ião complexo e está relacionada com o número de coordenação do respectivo ião central.

Arranjos mais abundantes:Linear – corresponde a nº coordenação dois;Tetraédrica – corresponde a nº coordenação quatro;Quadrangular plana – corresponde a nº coordenação quatro;Octaédrica – corresponde a nº coordenação seis;

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atribuição de nomes aos complexos

a cor nos complexos

A cor dos

compostos de metais de transição pode ser relacionada com a presença de

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orbitais d vazias ou semipreenchidas e, consequentemente, com a presença de electrões não emparelhados no ião do metal.

Nos complexos as orbitais d não apresentam todas a mesma energia, embora a energia total permaneça constante.

Quando os pares de electrões dos ligandos se aproximam do átomo central para estabelecer ligação coordenada, as orbitais d do metal, que se orientam preferencialmente para receber os pares de electrões dos ligandos, sofrem um aumento de energia.O aumento de energia deve-se ao aumento de repulsões entre um electrão do metal nessa orbital e o par electrónico do ligando.A energia total das orbitais d tem de se manter constante. Como tal, as restantes orbitais d sofrem um decréscimo de energia para compensar o aumento sofrido pelas outras orbitais d.

As orbitais afectadas vão depender da distribuição espacial dos ligandos – da geometria do complexo:

geometria octaedrica – maior diferença de energia entre as orbitais de maior e menor energia;geometria tetraédrica – menor diferença de energia entre as orbitais de maior e menor energia.

A cor nos complexos é consequência de absorções de radiação visível que ocorrem normalmente entre orbitais d do metal.

As cores observadas nos compostos de

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Resumindo:

A cor de um ião complexo de um metal de transição depende:do número de electrões d presentes no ião/átomo metálico central;do arranjo dos ligandos à voltado ião/átomo central (geometria do complexo);da natureza do ligando, já que diferentes ligandos têm diferentes efeitos nas energias relativas das orbitais d.

os metais no organismo humanometais essenciais e metais tóxicos

a ausência de alguns metais pode ocasionar sérias doenças (anemia, atraso de crescimento; etc)outros metais e semimetais, por sua vez, podem causar intoxicações, como o arsénio, o chumbo, o cádmio e o mercúrio.

elementos metálicos importantes para o organismo

cálcio, presente nas estruturas ósseas e no esmalte dos dentes;sódio e o potássio, que contribuem para o balanço osmótico nas membranas celulares;

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ferro, que está presente na estrutura da hemoglobina;magnésio, crómio, manganês, cobalto, níquel, cobre e molibdénio que estão envolvidos em processos metabólicos.

elementos metálicos tóxicos para o organismo

De uma forma geral, todos os elementos químicos são tóxicos, mesmo os ditos essenciais. A toxicidade está dependente da respectiva dose, do estado, e da forma como são ingeridos e variando o seu efeito de espécie para espécie.

a hemoglobina e o transporte de gases no sangue

transporte de O2 e de CO2

O transporte de oxigénio está a cargo da hemoglobina, proteína presente nas hemácias.Cada molécula de hemoglobina (Hb) combina-se com quatro moléculas de oxigénio, formando a oxi-hemoglobina (HbO2):

Hb + O2 HbO2(Hb representa ¼ da molécula de hemoglobina)

Nos alvéolos pulmonares o oxigénio difunde-se para os capilares sanguíneos e penetra nas hemácias, onde se combina com a hemoglobina, enquanto o dióxido de carbono (CO2) é libertado para o ar.Nos tecidos ocorre o inverso: o oxigénio dissocia-se da hemoglobina e difunde-se atingindo as células. A maior parte do dióxido de carbono libertado pelas células penetra nas hemácias e reage com a água, formando o ácido carbónico, que logo se dissocia e dá origem a iões hidrogénio (H+) e hidrogenocarbonato (HCO3-), difundindo-se para o plasma sanguíneo, onde ajudam a manter o pH do sangue.

H2CO2(aq) H+(aq) + HCO3-(aq)

O restante dióxido de carbono libertado pelos tecidos associa-se à própria hemoglobina, formando a carbo-hemoglobina. O restante dissolve-se no plasma.

o transporte de CO

O monóxido de carbono é um gás sem cheiro nem cor, é venenoso e asfixiante, uma vez que entra em competição com o oxigénio na ligação às moléculas de hemoglobina.A ligação é feita no mesmo átomo de ferro (II) em que se liga a molécula O 2, com a diferença de que a afinidade de CO para a hemoglobina é de 210 a 300 vezes superior à do oxigénio, dando origem à carboxi-hemoglobina (CoHb).

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o caso do CO2 indispensável: efeito tampão

O pH normal do sangue, por exemplo, situa-se no intervalo 7,35-7,46, mesmo se a concentração de dióxido de carbono (e, portanto, de ácido carbónico) variar de forma apreciável.Quando o pH está fora deste intervalo, surgem doenças como a alcalose (pH superior) ou a acidose (se o pH for inferior); fora do intervalo 6,8-8,0, a morte ocorre rapidamente.

Explicação:Há um fluxo diário muito intenso de dioxigénio, dióxido de carbono e ião hidrogénio (H+(aq)) por todo o nosso corpo. O metabolismo gera CO2, que se dissolve em H2O para formar o ácido carbónico, H2CO3(aq), que, por sua vez, se ioniza formando o ião hidrogénio (H+(aq)) e o ião hidrogenocarbonato (HCO3-). Apesar das grandes variações na produção de CO2, durante, por exemplo, uma actividade física, o pH sanguíneo é praticamente o mesmo: a concentração de iões hidrogénio (H+

(aq)) no plasma permanece na faixa nanomolar e o valor do pH entre 7,35-7,45.

funcionamento de um sistema-tampão

Para compreender o funcionamento de uma solução-tampão, é necessário interpretar a dissolução em água de ácidos, bases e sais.

comportamento de ácidos, bases e sais quando dissolvidos em água

A água é um mau condutor de electricidade (a concentração de iões HO - (aq) e H+

(aq) é muito baixa). No entanto, quando se dissolvem substâncias iónicas na água como o cloreto de sódio (NaCl) a solução torna-se condutora, o que evidencia uma presença de uma maior quantidade de iões em solução.

Dissociação de um composto iónico

A dissociação de um composto iónico pode ser traduzida pela equação química:

NaCl(s) Na+(aq) + Cl-(aq) Ionização de um composto covalente

Alguns compostos covalentes dissolvem-se igualmente em água; reagem com o solvente, originando iões em solução, sendo o processo designado por ionização:

HCl(g) + H2O(l) Cl-(aq) + H3O+(aq)A dissociação iónica e a ionização nem sempre são completas:

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o sendo completa, diz-se que o electrólito é forte.o se a dissociação/ionização não é total, o electrólito é fraco.

Designa-se por GRAU DE IONIZAÇÃO ou GRAU DE DISSOCIAÇÃO (α) a relação entre a quantidade de substância ionizada/dissociada e a quantidade de substância dissolvida, expressa em percentagem.

α (%) = x 100

relação entre o grau de ionização/dissociação e a constante de equilíbrio

Considere-se um ácido representado por HA, dissolvido em água de modo a obter uma solução de concentração c.

Para o equilíbrio químico traduzido pela equação química:

HA(aq) H+(aq) + A-(aq)

as concentrações de equilíbrio calculam-se, como se indica na tabela:

A constante para este equilíbrio é:

soluções aquosas originadas pela dissolução de sais

Os sais são compostos iónicos que se podem obter, por exemplo, a partir da reacção entre um ácido e um hidróxido, mas as respectivas soluções aquosas nem sempre são neutras (em termos de pH).

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quantidade de substância ionizada/dissociada

quantidade de substância dissolvida

[H+] x [A-][HA]

Ka =

Ka = α c x α cc (1 – α)

<=> Ka =

α2 c (1 – α)

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Metais, Ambiente e Vida

A dissociação iónica de um sal origina catiões e aniões.os catiões de metais alcalinos e alcalino-terrosos não têm tendência para reagir com a água e, por isso, não afectam o pH das respectivas soluções aquosas.os aniões que são bases conjugadas de ácidos muito fortes, são praticamente neutros.

Mas há situações em que isto não acontece:

Sal de um ácido fraco e de uma base forte, como, por exemplo, NaNO 2

NaNO2(s) Na(aq) + NO2(aq)NO2(aq) + H2O(l) HNO2(aq) + HO- reacção de hidrólise

Conclusão: A solução aquosa fica alcalina.

Sal de uma base fraca e de um ácido forte, como, por exemplo, NH 4Cl

NH4Cl(s) NH4+(aq) + Cl-(aq)

NH4+(aq) + H2O(l) NH3(aq) + H3O+(aq) reacção de hidrólise

Conclusão: A solução aquosa fica ácida.

Sal de um metal de transição e de um anião neutro

Os sais de metais de transição são, na maior parte dos casos, ácidos fracos.A acidez deve-se ao facto de os catiões se encontrarem hidratados, ou seja, formarem iões complexos em que os ligandos são moléculas de água.Devido à elevada carga positiva, o catião atrai e partilha electrões com uma ou mais moléculas de água (base de Lewis), o que vai enfraquecer a ligação O-H, originando a libertação de H+(aq) para a solução, formando um ou mais iões H3O-(aq), como se exemplifica:

[Cu(H2O)4]2+(aq) + H2O(l) [Cu(H2O)3OH]+(aq) + H3O+(aq)Conclusão: A concentração dos iões H3O+(aq) aumenta, pelo que a solução

fica ácida.

Sal de um ácido e de uma base fracos, como NH 4NO 2

NH4NO2(s) NH4-(aq) + NO2

-(aq)NH4

+(aq) + H2O(l) NH3(aq) + H3O+(aq)NO2

-(aq) + H2O(l) HNO2(aq) + HO-(aq)

Conclusão: A extensão da reacção de hidrólise do catião amónio é superior à do anião nitrito, Ka>Kb, pelo que a solução apresentará características ácidas.

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o que é uma solução-tampão

Soluções-tampão são soluções que não apresentam variação significativa de pH por adição de pequenas quantidades de ácido ou de base fortes.

efeito tampão de uma solução e a sua composição

As soluções-tampão podem ter diversas composições:mistura de ácido fraco de Bronsted-sal da base conjugada;mistura de base fraca de Bronsted-sal do ácido conjugado;ácido forte;base forte.

Para evidenciar o comportamento das soluções-tampão ter-se-á de comparar a variação do valor de pH que ocorre em água desionizada e em cada uma destas soluções, por adição de pequena quantidade de ácido ou de base forte.

Mistura de ácido fraco-sal da base conjugada

Exemplo:Mistura de ácido acético e acetato de sódio, com concentrações 1,0

mol.dm-3 (na mistura).

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Metais, Ambiente e Vida

Conclusões:

Mistura de base fraca-sal do ácido conjugado

Exemplo:Mistura de amoníaco e cloreto de amónio, com concentrações 1,0 mol.dm-3 (na mistura)

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Metais, Ambiente e Vida

Solução de ácido forte: HCl 0,10 mol.dm -3

Exemplo:Um

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Metais, Ambiente e Vida

Solução de base forte: NaHO 0,10 mol.dm -3

Uma base forte como o NaHO actua como solução-tampão em situações de pH elevado.

capacidade tampão

A melhor solução-tampão será aquela que apresenta variações de pH pouco significativas, por adição de maiores quantidades de ácido ou de bases fortes – capacidade tampão.Esta capacidade é tanto maior quanto maiores e mais próximas forem as concentrações do ácido e da base conjugada.

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titulações ácido- base

titulação ácido forte-base forte

Considere-se a titulação entre uma solução de HCl 0,10 mol.dm-3 e uma solução de NaHO 0,10 mol.dm-3.

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Metais, Ambiente e Vida

Nesta titulação:titulado – titulante –

Variação do pH do titulado durante a titulação

Inicio da titulação

A meio da titulação

Ponto de equivalência

Após o ponto de equivalência

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Metais, Ambiente e Vida

titulação ácido fraco-base forte

Considere-se a titulação entre uma solução de CH3COOH (ácido fraco) 0,10 mol.dm-3 e uma solução de NaHO 0,10 mol.dm-3

Variação do pH do titulado durante a titulação

Início da titulação

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Metais, Ambiente e Vida

A meio da titulação

Ponto de equivalência

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Metais, Ambiente e Vida

Após o ponto de equivalência

titulação base fraca-ácido forte

Considere-se a titulação entre uma solução de NH3 0,10 mol.dm-3 (base fraca) e HCl 0,10 mol.dm-3.

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Metais, Ambiente e Vida

Variação do pH do titulado durante a titulação

Início da titulação

A meio da titulação

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Ponto de equivalência

Após o ponto de equivalência

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