Química dos Elementos Metálicos

Valentim M. B. Nunes

Departamento de Engenharia Química e do Ambiente

Abril de 2009

Química dos elementos metálicos.

Vimos anteriormente que todos os elementos podem ser classificados em metálicos, não-metálicos ou metalóides. Até agora estudámos teorias fundamentais da Química, como ligação química, forças intermoleculares, equilíbrio químico, electroquímica, etc. Todos estes conhecimentos são necessários para compreender a química dos elementos, em particular dos metais.

Esta Química Inorgânica Descritiva é necessária para a compreensão da utilidade e aplicação da Química nos variados processos industriais e biológicos (incluindo organismos vivos).

Ocorrência

A maioria dos metais provem dos minerais. Um mineral é uma substância que ocorre naturalmente e com composição química definida. Um depósito mineral designa-se por minério.

Processos metalúrgicos

A metalurgia é a ciência da separação dos metais a partir dos minérios e o fabrico de ligas metálicas. Envolve: a) preparação do minério; b) produção do metal; c) purificação.

A produção de um metal livre é sempre um processo de redução. Por vezes é necessário previamente calcinar o minério para expulsar impurezas voláteis

Os processos mais importantes são realizados a altas temperaturas num processo conhecido como pirometalurgia.

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

2 PbS(s) + 3 O2(g) 2 PbO(s) + 2 SO2(g)

Processos de redução

Metal

Li, Na, Mg, Ca Redução electrolítica do cloreto.

2 MCl 2 M + Cl2

Al Redução electrolítica do óxido.

Cr, Mn, Ti, V, Fe, Zn Redução do óxido metálico, com metal com menor Eº ou com coque e CO.

Hg, Ag, Pt, Cu, Au Não combinados, ou calcinação dos sulfuretos.

Eº(v)

Metalurgia do Ferro

O ferro existe na forma de certos minerais como a pirite (FeS) e a hematite (Fe2O3). O processo envolve a redução química dos minerais pelo carbono (na forma de coque) num alto forno.

Ferro fundido

3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2

CaCO3 CaO + CO2

Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2

C + CO2 2 CO

FeO + CO Fe + CO2

2 C + O2 2 CO

Produção do aço

O fabrico do aço é uma indústria fundamental. Enquanto a produção do ferro é um processo de redução a conversão em aço é um processo de oxidação. As impurezas indesejáveis são removidas com oxigénio gasoso.

CaO ou SiO2

CO2, SO2

(poluição!)

Purificação metálica

Destilação: metais com pontos de fusão baixos podem ser purificados por destilação fraccionada. Exemplo: método de Mond para purificação do níquel.

Ni(s) + 4 CO(g) Ni(CO)4(g) tetracarbonilníquel43 ºC

200 ºC

Electrólise: Como exemplo o cobre (já estudado)

Refinação de zona.

Metais alcalinos

São os elementos menos electronegativos. Estado de oxidação +1. Possuem pontos de fusão e densidade baixas.

Sódio, Na

Ocorrência: NaAlSi3O8 (albite); NaCl; NaNO3(nitrato do Chile)Obtenção: electrólise do NaCl fundido (pilha de Downs)

Reacções principais:

2 Na(s) + 2 H2O(l) 2 NaOH(aq) + H2(g)

2 Na(s) + O2(g) Na2O2(g)

Na2O2(g) + 2 H2O(l) 2 NaOH(aq) + H2O2 (aq)

Potássio, K

Ocorrência: KAlSi3O8 (ortoclase); KCl

Obtenção: destilação do KCl fundido a 892 ºC.

Reacções principais:

2 K(s) + 2 H2O(l) 2 KOH(aq) + H2(g)

K(s) + O2(g) KO2(g)

2 KO2(g) + 2 H2O(l) 2 KOH(aq) + O2(g) + H2O2 (aq)

4 KO2(g) + 2 CO2(g) 2 K2CO3(s) + 3 O2(g)

Aplicações

Na2CO3: tratamento de águas; fabrico de sabões; detergentes; medicamentos, indústria do vidro.

Hidróxidos: produção de sabões; electrólitos de baterias, ....

Nitratos: fertilizantes; explosivos, .....

Metais alcalino-terrosos: Magnésio,Mg

Ocorrência: Mg(OH)2 (brucite); CaCO3.MgCO3 (dolomite); MgSO4.7 H2O (epsomite).

Obtenção: electrólise do MgCl2 fundido (obtido da água do mar)

Reacções principais:

Mg(s) + H2O(g) MgO(s) + H2(g)

2 Mg(s) + O2(g) 2 MgO(s)

3 Mg(s) + N2(g) Mg3N2(s)

MgO(s) + H2O(l) Mg(OH)2 (aq)

Cálcio, Ca

Ocorrência: CaCO3 (calcário, giz e mármore); CaSO4.2 H2O (gesso); CaF2 (fluorite)

Obtenção: electrólise do CaCl2 fundido

Reacções principais:

Ca (s) + H2O(l) Ca(OH)2 (aq) + H2(g)

CaCO3 (s) CaO (s) + CO2(g)

CaO (s) + H2O(l) Ca(OH)2 (s)

Aplicações

Magnésio: ligas metálicas; protecção catódica; baterias....

CaO: metalurgia; remoção de SO2; regulação da acidez dos solos,.....

Ca(OH)2: tratamento de águas.

Alumínio, Al

O alumínio é o metal mais abundante, e 3º elemento mais presente na crusta terrestre (7.5%). Possui baixa densidade, elevada resistência à tracção e é um excelente condutor eléctrico.

                         

Ocorrência: Al2O3. 2 H2O (bauxite); Be3Al2Si6O18 (berilo); Na3AlF6 (criolite); Al2O3 (corindo).

Obtenção: electrólise do óxido de alumínio anidro, pelo processo de Hall-Héroult.

Reacções principais:

2 Al (s) + 6 HCl(aq) 2 AlCl3(aq) + 3 H2(g)

2 Al (s) + 2 NaOH(aq) + 2 H2O(l) 2 NaAlO2(aq) + 3 H2(g)

4 Al(s) + 3 O2(g) 2 Al2O3(s)

Aplicações

Alumínio: linhas de transmissão de alta tensão; construção de aeronaves; recipientes; propulsor sólido para foguetões.

Reciclagem: O alumínio é utilizado em milhões de toneladas de latas de refrigerantes. Para reciclar o alumínio é apenas necessário a energia para aquecer o alumínio até ao ponto de fusão ( ~ 660 ºC) e a energia de fusão ( ~10.7 kJ/mol). No total, a energia para reciclar um mole de alumínio é cerca de 9% da energia necessária para produzir a mesma quantidade por electrólise.