nitrogênio - sqbfsqbf.ufabc.edu.br/disciplinas/nh1302-2010/aula08.pdf · o e contribui para a...

Antimônio

Nitrogênio

Bismuto

Fósforo

Arsênio

Grupo 15: Família do Nitrogênio

Mas, as resistividades dos elementos desse grupo são maiores que as de um bom condutor como o Cu.

Aumento do caráter metálico (resistividade de P4 branco é da ordem de 1017)

Configuração Eletrônica e Estados de Oxidação

Configuração Eletrônica Estados Oxidação

N [He] 2s2 2p3 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5

P [Ne] 3s2 3p3 -3, 0, 1, 3, 5

As [Ar] 3d10 4s2 4p3 -3, 0, 3, 5

Sb [Kr] 4d10 5s2 5p3 0, 3, 5

Bi [Xe] 4f 14 5d10 6s2 6p3 0, 3, 5

Propriedades Atômicas


Energia para remover os 5 elétrons é altíssima e íons M5+ não são formados

Sb e Bi podem perder 3 elétrons (por ex. SbF3 e BiF3 são sólidos iônicos), mas íon M3+ não é estável em água


N pode receber 3 elétrons apenas de metais de baixa EI (Li3N, Be3N2, Mg3N2, Ca3N2) formando compostos iônicos

Na3P e Na3Bi são covalentes Maioria dos compostos são covalentes

Configuração Eletrônica

Elementos com 5 elétrons no nível mais externo

É possível que o nitrogênio adquira 3 elétrons e passe a apresentar configuração eletrônica de gás nobre (N-3)

Possuem no de oxidação máximo de 5 (quando os 5 elétrons

participam de ligações)

A tendência do par eletrônico s não participar de ligações aumenta

com o aumento do número atômico efeito do par inerte. Nesses

casos só os elétrons p participam e os compostos são trivalentes.

Conf. Eletr. de elementos do Grupo 15

ns2 np3


Configuração eletrônica do fósforo

3s 3p 3d

P no estado fundamental

P no estado excitado

Hibridização sp3d

O N ([He] 2s2 2p3) pode formar ligações múltiplas fortes p - p

produzindo uma série de compostos que não têm análogos nos

outros elementos (N2 = 945 KJ.mol-1).

As abundâncias são dadas na forma logarítmica (base 10) em

gramas de metal por 1000 Kg de amostra. Como a escala vertical e logartímica, as diferenças são muito maiores o que

aparentam.

Ocorrência na natureza

Ocorrência na Natureza

• Gás diatômico (N2)

•78 % da atmosfera, mas é o 33º em abundância relativa na crosta

terrestre

• Possui ligação tripla NN

• Energia de dissociação altíssima (941,4 kJ/mol) molécula muito

estável gás pouco reativo (utilizado c/o atmosfera inerte)

• ocorre também na forma de NaNO3 (salitre do Chile)

• está presente nas proteínas (comp. Média: 50% C, 25% O, 17%N, 7%H,

0,5%S, 0,5%P em peso)

• Lavoisier chamou de azoto (sem vida) por ser praticamente inerte

Nitrogênio

Ciclo do Nitrogênio As plantas não utilizam o N2 do ar por ele ser muito pouco reativo.

A absorção do nitrogênio só se faz na forma combinada (nitratos, nitritos, sais de amônio e uréia)

Algumas bactérias são capazes de “fixar” o N2 atmosférico na forma de compostos nitrogenados.

Ciclo do Nitrogênio

• É o 11o elemento mais abundante na crosta terrestre

• Existe em três formas alotrópicas:

P4 branco muito reativo (inflama em contato com o ar)

P4 vermelho pouco reativo (inflamado por atrito ou

aquecimento)

P4 preto não reativo (inerte)

pretobranco

vermelhoo

branco

PP

PP

apressão

C

4quecimento e 4

42504

P4 branco

P4 vermelho (sólido polimérico)

Fósforo


P4 preto

Fósforo


• Fluoroapatita – 3Ca3(PO4)2.CaF2

• Hidroxiapatita – [3Ca3(PO4)2.Ca(OH)2] • Cloroapatita – [3Ca3(PO4)2.CaCl2]

http://tasaclips.com/photos.html

As2S3 Sb2S3 As4S4

Estibina Realgar Ouro-pigmento ou Orpimento

Arsênio, Antimônio e Bismuto


•São pouco abundantes, mas bem conhecidos (desde a antiguidade)

•Podem ser encontrados em várias formas alotrópicas

• Principal fonte são os sulfetos, que ocorrem combinados com outros

minérios

Bismutinita – Bi2S3 e Bismita – Bi2O3

Propriedades Químicas

Elevadas T e P

Hidretos

Todos os elementos do grupo 15 formam hidretos voláteis

tóxicos de fórmula MH3

A facilidade de formação, a tendência de utilizar o par de

elétrons isolados na formação de ligações coordenadas e a

facilidade de substituição de hidrogênio por outros grupos

diminuem da NH3 para o BiH3

NH3 – amônia

PH3 – fosfina

AsH3 – arsina

SbH3 – estibina

BiH3 – bismutina (pouco estável)

Propriedades Químicas

4323

22324

23223

2

333

)(326

POHOPH

PONaHPHOHNaOHP

OHCaPHOHPCa

107o

Agentes redutores fortes

Óxidos e Oxi-ácidos

Nitrogênio

Demais elementos

G.E. Rodgers, J. Chem. Educ. 2014, 91, 216-224.

Óxidos Ácido, Básico ou Anfótero

Trihaletos e Pentahaletos

O nitrogênio não forma pentahaletos pela inexistência de orbitais d disponíveis em seus átomos. Forma trihaleto (mais estável é o NF3)

Os demais elementos formam pentahaletos do tipo MX5 e trihaletos do tipo MX3

os trihaletos são covalentes com exceção do BiF3 que é iônico e o SbF3 que possui caráter intermediário

PCl

Cl

Cl

Cl

Cl

Ou PCl5

)()(43)(2)(5 5 4 glls HClPOHOHPCl Hidrólise:

PCl5 está no limite iônico-covalente. Nos estados gasoso e líquido é covalente e no estado sólido é iônico

• Indústria: Liquefação e destilação fracionada do ar

p.e. (N2) = - 196 oC

p.e. (Ar) = - 186 oC

p.e. (O2) = - 183 oC

)(2)(2)(24

)(24)()(2)(4

2 ggs

ssss

OHNNONH

NONHNaClNaNOClNH

)(2)(2)(2)(2)(3 2 6 3)( 24 glssg NOHCaClClOCaNH

• No laboratório

Métodos de Obtenção

)(242)(3 Br638 gg NNHBrNH

Principais Compostos

Potenciais em solução ácida

•é usado na fabricação de explosivos

)(2)(32)(2)()(2)()()(3 K 2 23 3 74 ssgggsss SKCONCOCOSCKNO

pólvora

CH3

O2N NO2

NO2

TNT

H2C

HC

H2C

O

O

O

NO2

NO2

NO2

nitroglicerina


Fertilizantes (fixação de nitrogênio)

Fertilizantes possuem no mínimo 3 componentes básicos:

Nitrogênio normalmente (NH4)2SO4 promove crescimento de

folhas

Fósforo Promotor de crescimento de raízes

- superfosfato Ca3(PO4)2 tratado com H2SO4 conc.

- superfosfato triplo Ca3(PO4)2 tratado com H3PO4 conc.

Potássio promotor de floração K2SO4



Amônia

•Gás tóxico, condensa a -33 oC (líquido incolor)

•Muito solúvel em água devido a formação de ligações de hidrogênio

• Os elétrons desemparelhados do orbital p do Nitrogênio formam

ligações com três átomos de outros elementos produzindo moléculas

com arranjo eletrônico tetraédrico, mas geometria trigonal piramidal.

H +

NH4+ (cátion Amônio)

• o Nitrogênio só pode ter 8 elétrons no segundo nível eletrônico,

assim, o par de elétrons não ligantes pode ser coordenado a um

átomo receptor conferindo ao N o número de coordenação máximo 4

(hibridização sp3)

Amônia


• NH3 pode coordenar-se à íons metálicos dos Grupos do Co, Ni, Cu e Zn:

[Co(NH3)6]3+

Amônia

[Cu(NH3)4]2+


Fritz Haber Nobel de Química em 1918

Carl Bosch Nobel de Química em 1931

PROCESSO HABER-BOSCH

• À medida que a pressão aumenta, a quantidade de amônia presente no equilíbrio aumenta.

• À medida que a temperatura diminui, a quantidade de amônia no equilíbrio aumenta.

Princípio de Le Châtelier

Reação exotérmica

Na prática as condições são: 200 atm de pressão, temperatura entre 380-450 oC e catalisador de “ferro ativado”

Magnetitas (ferro) contendo: • K2O • CaO • MgO • Al2O3

• SiO2

• Traços de TiO2, ZrO2 e V2O5

Mais porosos Mais ativos em temperaturas baixas

•Alta pressão: desloca o equilíbrio para menor volume

• Retirada da amônia formada

• Alta temperatura

No Brasil:

1952: 1ª Unidade de amônia sintética (foi posteriormente desativada)

Santo André - SP RHODIA

Amônia

16.000.000.000 Kg NH3/ano EUA (maior parte é utilizado como

fertilizante)

Aplicações Industriais


Amônia

Hidrazina

• tem semelhanças estruturais e químicas com o peróxido de hidrogênio.

N OHN

H

H

H

H

HO


• É um forte redutor em meio básico e um redutor moderado em meio ácido ou neutro. Ex.: reduz I2, O2 e Cu2+

• Na indústria é utilizada no tratamento de água para alimentação de caldeiras para prevenir a oxidação das mesmas (remove o O2 dissolvido na água)

N2H4 (aq) + O2 (g) N2 (g) + 2 H2O (l) H = -621 kJmol-1

• é uma base mais fraca que a amônia

N2H4 (aq) + HX N2H5+ + X-

ou N2H4 (aq) + 2HX N2H6+2 + 2X-

• Utilizada na fabricação de propelentes, combustível de foguetes, fabricação de espelhos de prata e cobre


Hidrazina


Azidas ou Azotetos

• azida de sódio pode ser obtida:

)(3)()(3)(2)(2 glllg NHNaOHNaNNaNHON

• azida de chumbo [(Pb(N3)2] é usada como detonador de

explosivos

• triazina cianídrica (ou triazoteto cianúrico) é um poderoso

explosivo C

N

C

N

C

N

N3

N3N3

Utilizado em air bags

Detonam por impacto e liberam N2


NaNNaN 23 3

Óxidos e oxiácidos do nitrogênio

• Todos os oxiácidos do nitrogênio possuem ligações múltiplas p - p.

• O mesmo não ocorre com os demais elementos do grupo

Fórmula No oxid. Nome

N2O +1 Óxido nitroso

NO +2 Óxido nítrico

N2O3 +3 Sesquióxido de nitrogênio

NO2N2O4 +4 Dióxido de Nitrogênio (tetróxido de dinitrogênio)

N2O5, NO3- +5 Pentóxido de dinitrogênio e ânion nitrato


Óxido nitroso ou óxido de dinitrogênio (N2O)

• razoavelmente estável, obtido pelo aquecimento cuidadoso do nitrato de amônio

• foi usado como anestésico (gás hilariante)

)(2)(2)(34 2 ggs OHONNONH

• utilizado na produção de azidas )(2)(3)(2)(2 lssg OHNaNNaNHON

• molécula linear e um híbrido de ressonância

N N O N N O

• solúvel em gorduras: empregado como espumante e propelente em sprays de chantilly.

• utilizado para elevar a potência de motores (NÓS) com poder comburente: aumenta a capacidade de queima na câmara de combustão e consequentemente a energia produzida.

• número de oxidação +2

• é um óxido neutro e incolor

• no laboratório é obtido pela reação de ácido nítrico com metais

)(2)(23)()(3)( 4)( 3 2 8 3 laqgaqs OHNOCuNOHNOCu

Óxido de nitrogênio ou óxido nítrico (NO)

• industrialmente obtido a partir da amônia (1000 oC, Pt)- processo

Ostwald

• o N2 da atm é convertido em NO nos motores de aviões, que é

convertido em HNO2 na presença de H2O e contribui para a chuva

ácida.

• Reage com o O3 da camada de ozônio:

)(2)()(2)(3 6 4 5H 4 lggg OHNOON

NO (g) + O3 (g) NO2 (g) + O2 (g)

• Em nosso organismo, em pequenas quantidades, ajuda a dilatar os vasos sanguíneos.

• no estado gasoso está em equilíbrio com seu

dímero N2O4

Dióxido de nitrogênio (NO2)

• é um gás castanho, sufocante e tóxico.

marrom

incolor

Paramagnético (elétron desemparelhado) Diamagnético

•é produzido pela oxidação de NO na presença de O2

• no laboratório pode ser obtido pelo aquecimento de Pb(NO3)2

)(2)(221)( ggg NOONO

)(2)(2)()(23 4 2)( 2 ggss ONOPbONOPb

• em água forma o ácido nítrico e o óxido de nitrogênio

3 NO2 (g) + H2O (l) 2 HNO3 (aq) + NO (g)

Dióxido de nitrogênio (NO2)

• N2O4 é anidrido misto

N2O4 (g) + H2O (l) HNO3 (aq) + HNO2 (aq)

• N2O4 e NO2 são agentes oxidantes fortes

Trióxido de dinitrogênio (N2O3)

• obtido pela condensação do NO e NO2 a -20oC.

• Nitrogênio com número de oxidação +3

• é instável na forma de gás

• pode ser considerado como o anidrido do ácido nitroso, já que

quando em água forma este:

• O ácido nitroso é importante para a obtenção de nitritos, como o

KNO2, que são usados no processamento de carnes para manter a

cor vermelha (impedem a oxidação da hemoglobina).

NO2 (g) + NO (g) N2O3 (g)

N2O3 (g) + H2O (l) 2 HNO2 (aq)

Pentóxido de dinitrogenio (N2O5)

• obtido pela desidratação cuidadosa de HNO3 com P4O10 a baixas

temperaturas.

• anidrido do HNO3

• Nitrogênio com número de oxidação +5

N2O5

N2O5

N2O5

Ácido Nítrico

• é um agente oxidante forte quando concentrado e a quente. O

nitrogênio tem número de oxidação +5.

• industrialmente é produzido pelo processo de Ostwald

)( )(3)(2)(2

)(2)(2 )(

)(2)(Rhou Pt / atm 10

)(2)(3

)(3/500 / atm 200)(2)(2

NO23

22

H 6 4 5NH 2

NH 2 3 o

gaqlg

ggg

lggg

gFeC

gg

HNOOHNO

NOONO

ONOO

HN


• o HNO3 na presença de H2SO4 produz íon nitrônio (NO2+) que é

usado na nitração de compostos aromáticos

[NO2+]

tolueno

trinitrotolueno

CH3CH3

NO2

NO2O2N

• o ânion nitrato está em ressonância

)(2)(2)()()(3 2 lggaqaq OHClNOClHClHNO

• mistura de HCl c/ HNO3 forma-se a água régia (do latim: capacidade de dissolver metais nobres como ouro e platina)

25% 75%

Obtido a partir da Apatita (minérios de fosfato de cálcio)

)()(3)(41300)()(2)(243 10610)( gsg

Csss COCaSiOPCSiOPOCa o

a maior parte do fósforo é usado na fabricação de H3PO4

)()(4)(43)(42)(345 535)( gslls HFCaSOPOHSOHFPOCa


43210424 465 POHOHOPOP

•é componente fundamental dos fertilizantes

•é importante na formação dos ácidos nucléicos (grupamento fosfato)

e dos ossos (Ca3(PO4)2) e dos fluidos biológicos (fosfatos).

•é empregado também na produção de P4S10 (fósforos de segurança) e

POCl3


Principais usos dos fosfatos

70% fertilizantes (superfosfatos, superfosfato triplo, fosfato de

amônio)

13% detergentes ( fosfato de sódio e pirofosfato de sódio)

8% rações animais

3% indústria farmacêutica

2% tratamento de água dura

1% proteção de metais

0,7% fabricação de organofosforados ( inseticidas)

2,3% outros


É o anidrido do ácido fosfórico.

P4O6 (s) + 6 H2O (l) 4 H3PO3 (aq)

P4O10 (s) + 6 H2O (l) 4 H3PO4 (aq)

Trióxido de fósforo

É dimérico e por isso é representado por P4O6 e não P2O3

É o anidrido do ácido fosforoso

É um sólido branco e mole (P.F. 24 oC) que queima ao ar e forma P4O10

Pentóxido de fósforo

É o óxido mais importante desse elemento

É um dímero de fórmula P4O10 e não P2O5

É usado como agente secante http://www.youtube.com/watch?v=Oke8GinWDG8&feature=PlayList&p=12000EE9CF0D8808&index=26

http://www.youtube.com/watch?v=Oke8GinWDG8&feature=PlayList&p=12000EE9CF0D8808&index=26







• Suprimento de energia para células

ATP + H2O (l) ADP + HPO42-

(aq) + H+ (aq) G = - 30 KJ.mol-1

• podem ser obtidos de seus minerais

• ou como subprodutos do processamento de minerais de outros

metais:

As – subproduto da extração de minérios de Ni, Co e Fe

Sb - subproduto da extração de minérios de Zn

Bi - subproduto da extração de minérios de Pb (PbS)

São facilmente reduzidos por aquecimento com carvão


A estabilidade dos pentahaletos diminiu conforme desce no grupo PF5 PCl5 PBr5 PI5

AsF5 (AsCl5) – reativo e instável SbF5 SbCl5

BiF5 muito reativo – reage explosivamente com água

Formam menos óxidos que o nitrogênio e fósforo, provavelmente devido a incapacidade de formar ligações duplas As4O6 (III) Sb4O6 (III) Bi2O3 (iônico) (SbO2)n (III e V) As4O10 (V) Sb4O10 (V)

Geralmente os estados de oxidação mais elevados são mais ácidos

•é utilizado c/o dopante em circuitos integrados e lasers • Apesar de ser venenoso é essencial para o crescimento das galinhas, cabras, porcos

• Em tecnologias de semicondutores para produzir detectores de infravermelho e diodos emissores de luz •O óxido é utilizado c/o retardante de chama

•Compostos de Bi(V) são bons ag. Oxidantes •Medicina por exemplo o seu óxido é usado em pomadas contra hemorróidas


1. Atkins, P., Jones, L., Princípios de Química - Questionando a Vida Moderna e o Meio

Ambiente, 3 ed., Porto Alegre: Bookman, 2006.

2. Shriver, D. F., Atkins, P., Química Inorgânica, Ed Artmed, 2003 .

3. Lee, J. D., Química Inorgânica Não Tão Concisa. Edgard Blucher Ltda, 3’ ed., São Paulo, 1980

4. http://www.webelements.com/

5. Shreve, R.J.; Indústrias de Processos Químicos, quarta edição, editora Guanabara Dois S.A,

Rio de Janeiro, 1980

Bibliografia

http://www.webelements.com/

nitrogênio - sqbfsqbf.ufabc.edu.br/disciplinas/nh1302-2010/aula08.pdf · o e contribui para a...

Documents