Universidade Federal da Paraba Centro de Cincias Exatas
Universidade Federal da Paraíba Centro de Ciências Exatas e da Natureza Departamento de Química Prof. Dr. Ary da Silva Maia OS METAIS
INTRODUÇÃO Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 2
São os mais numeroso entre os elementos Todos os elementos dos blocos s, d e f da tabela periódica são metais Alguns elementos do bloco p também são metais: Alumínio, Gálio, Tálio, Estanho, Chumbo e Bismuto Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 3
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Distribuição dos elementos metálicos (em azul) na tabela periódica Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 5
PROPRIEDADES GERAIS DOS METAIS Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 6
Bons condutores de calor Bons condutores de eletricidade Sólidos, exceto o mercúrio (líquido). Brilho Dúcteis (fios). Maleáveis (lâminas). Formam cátions (+). Resistência mecânica alta Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 7
A entalpia (energia) de Vaporização dos metais são bastante diferentes. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 8
Considerações Importantes!!! A baixa entalpia de vaporização do sódio e do mercúrio possibilita aplicá-los em lâmpadas de iluminação pública (vapores) e fluorescentes. O tungstênio, com o valor mais alto é usado como filamento em lâmpadas incandescentes, já que ele volatiliza muito lentamente. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 9
PROPRIEDADES QUÍMICAS A maioria dos metais reage com o oxigênio (O 2). Entretanto, a espontaneidade e a velocidade dessa reação varia muito. Ex: - O Césio inflama-se em contato com o ar. - O Alumínio e o Ferro sobrevivem ao ar e por isso são empregados comercialmente. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 10
OS METAIS DO BLOCO S: METAIS ALCALINOS (GRUPO 1) METAIS ALCALINOS TERROSOS (GRUPO 2) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 11
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METAIS ALCALINOS (1 A) Os Alcalinos são os elementos do Grupo 1 (1 A) da Tabela Periódica. Formada pelos seguintes metais: lítio (Li), sódio (Na), potássio (K), rubídio (Rb), césio (Cs) e frâncio (Fr). Têm este nome porque reagem muito facilmente com a água e, quando isso ocorre, formam hidróxidos, liberando hidrogênio. 2 Li(s) + 2 H 2 O(l) → 2 Li. OH(aq) + H 2(g) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 13
METAIS ALCALINOS TERROSOS (2 A) Os alcalino-terrosos são os elementos químicos do grupo 2 (2 A) da tabela periódica, e são os seguintes: berílio (Be), magnésio (Mg), cálcio (Ca), estrôncio (Sr), bário (Ba) e radio (Ra). O nome alcalino-terroso provém do nome que recebiam seus óxidos: terras. Possuem propriedades básicas (alcalinas). Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 14
A abundância é muito variada na crosta terrestre: desde o Cálcio (5º metal mais abundante), seguido pelo Sódio, Magnésio até aos metais mais raros como Césio e Berílio. Abundância na crosta: as quantidades citadas estão na base 10. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 15
Possuem Energia de Ionização Baixa Esses metais reagem rapidamente com a água para liberar hidrogênio (H 2). Os números de oxidação coincidem com o seu número de grupo: Metais Alcalinos (Grupo 1): + 1 Metais Alcalinos Terrosos (Grupo 2): + 2 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 16
OBTENÇÃO Sódio, Potássio, Magnésio e Cálcio são abundantes na crosta terrestre, mas a obtenção dos metais requer muita energia e consequentemente é cara!!! METAL FONTE NATURAL MÉTODO DE OBTENÇÃO LÍTIO SÓDIO CÁLCIO Li. Al(Si. O 3) ÁGUA DO MAR CALCÁRIO ELETRÓLISE Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 17
ELETRÓLISE Eletrólise ígnea do Na. Cl Fonte de corrente direta ee- ânodo cátodo Fonte de corrente direta e- e- ânodo Prof. Dr. Ary Maia cátodo Outubro 2009 18
Os metais alcalinos e alcalinos terrosos são dissolvidos até pela água. M(s) + H 2 O(l) → M+(aq) + OH−(aq) + H 2(g) M(s) + 2 H 2 O(l) → M+2(aq) + 2 OH−(aq) + H 2(g) n Estas reações são tão rápidas exotérmicas que faz com que hidrogênio se inflame Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 e o 19
Diagramas de Latimer Grupo 1 – Meio Ácido Grupo 2 – Meio Básico Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 20
OS METAIS DO BLOCO d Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 21
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METAIS DE TRANSIÇÃO São conhecidos como elementos de transição porque suas propriedades são geralmente intermediárias entre os elementos metálicos dos blocos s e os elementos não metálicos dos blocos p. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 23
A maioria dos metais do bloco d é muito mais rígida do que os metais do bloco s Apresentam a velocidade de oxidação moderada Tais fatos justificam o uso do ferro, cobre e titânio na construção de edifícios e veículos Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 24
ESTADOS DE OXIDAÇÃO ELEVADOS Os Metais do bloco d apresentam ampla faixa de estados de oxidação o que induz a uma química rica e interessante. O estado de oxidação do grupo pode ser alcançado por elementos que se encontram ao lado esquerdo do bloco d, mas não pelos elementos do lado direito Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 25
Número de Oxidação dos Metais de Transição Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 26
OS METAIS DO BLOCO d Estados de Oxidação ao longo das séries: Configuração eletrônica padrão: ns 2 (n-1)dx sendo x o no do grupo – 2 unidades Serão avaliados: Os estados de oxidação mais elevados Os estados de oxidação intermediários Como base de avaliação será empregado o Diagrama de Frost para os metais da série 3 d. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 27
OS METAIS DO BLOCO d Diagrama de Frost para os elementos da série 3 d. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 28
OS METAIS DO BLOCO d Estados de Oxidação Elevados: O número de oxidação do grupo de um elemento é o número do seu grupo. Esta regra é valida para os elementos dos grupos 3 a 7. A partir dos elementos do Grupo 8 (até o 11) o estado de oxidação do grupo não é alcançado. Este limite está relacionado com o aumento da Energia de Ionização e portanto com o caráter nobre da esquerda para a direita, ao longo de cada série do bloco d. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 29
OS METAIS DO BLOCO d A formação de compostos binários dos elementos da série 3 d com halogênios e oxigênio evidencia a tendência de estabilidade dos estados de oxidação do grupo: Grupos 3 e 4: alcançam o estado de oxidação do grupo com cloro (Sc. Cl 3 e Ti. Cl 4). Grupo 5 e 6: só alcançam o estado de oxidação do grupo com o fluor (VF 5 e Cr. F 6). A partir do Grupo 7: só o oxigênio é capaz de alcançar o estado de oxidação do grupo. Motivo: IMPEDIMENTO ESTÉRICO EM FUNÇÃO DA QUANTIDADE DE ÁNIONS DE HALOGÊNIO NECESSÁRIOS. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 30
OS METAIS DO BLOCO d A pouca estabilidade dos estados de oxidação máximo atingido nos grupos 6, 7 e 8 é evidenciada pelo alto caráter oxidante apresentado por estes estados (Cr. O 42 -, Mn. O 41 -, Fe. O 42 -). Observar que o caráter oxidante é crescente na ordem: Cr. O 42 - < Mn. O 41 - < Fe. O 42 - Outra evidência da dificuldade de se oxidar elementos a direita do Cr ao estado de oxidação do grupo é o fato da oxidação ao ar do Mn. O 2, em hidróxido de potássio fundido, não levar o metal ao estado de oxidação do grupo, mas sim a um composto verde escuro (K 2 Mn. O 4) = Mn(VI) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 31
OS METAIS DO BLOCO d Estados de oxidação intermediário na série 3 d: Estado de Oxidação +1: A maioria sofre desproporcionamento em M e M 2+. Ø Ligações no metal sólido são muito fortes, Ø Para os metais 3 d o estado de oxidação +2 é mais estável, considerando-se solução aquosa e combinação com ligantes duros. Ø Exceções são os compostos organometálicos e as carbonilas metálicas como Ni(CO)4 e Mo(CO)6. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 32
OS METAIS DO BLOCO d Estado de Oxidação +2: Os aquaíons dipositivos ( M 2+(aq)), mais especificamente os complexos octaédricos [M(H 2 O)6]2+ , tem importante papel na química dos metais da série 3 d. Muitos destes íons são coloridos, como resultado das transições d-d na região visível do espectro. Cr 2+(aq) é azul, Fe 2+(aq) é verde, Co 2+(aq) é rosa, Ni 2+(aq) é verde e Cu 2+(aq) é azul. É um estado de oxidação cada vez mais comum da esquerda para a direita da série 3 d. Sc 2+ - desconhecido, Ti 2+ - técnica especial de preparação, V 2+ e Cr 2+ - termodinamicamente instáveis em relação à oxidação pelo H+. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 33
OS METAIS DO BLOCO d Apesar da instabilidade, a lentidão na evolução de H 2 torna possível trabalhar com soluções aquosas destes íons, na ausência de ar, sendo assim agentes redutores úteis. Após o Cr, o íon M 2+ é estável em relação à reação com água e somente o Fe 2+ é oxidado pelo ar. A água pode atuar como um agente oxidante, tornando instáveis algumas soluções de íons M 2+. Isto faz com que sejam conhecidos mais sais destes íons em estado sólido do que em solução aquosa. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 34
OS METAIS DO BLOCO d Estado de Oxidação +3: Este estado de oxidação é mais comum para os elementos a esquerda da série, sendo por exemplo, o único estado de oxidação conhecido para o escândio. Titânio, vanádio e cromo apresentam grande variedade de compostos no estado de oxidação +3. O aumento da energia de ionização é responsável pela diminuição da estabilidade das espécies M(III) ao longo do período. O Mn 2+ apresenta a subcamada d semicheia o que implica em maior estabilidade desta espécie. Já o Mn 3+ apresenta relativamente poucos compostos conhecidos. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 35
OS METAIS DO BLOCO d São conhecidos compostos de Fe(III), mas, geralmente, os mesmos são oxidantes. o O Co 3+ é um poderoso oxidante em meio ácido, promovendo liberação de O 2. o Consegue-se estabilização deste íons na forma de oxocomplexos em meio básico, ou quando complexados por outros ligantes bons doadores. o Os aquapions Ni 3+ e Cu 3+ nunca foram preparados. o Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 36
OS METAIS DO BLOCO d Estados de oxidação intermediário nas séries 4 d e 5 d : Diferentemente dos metais da série 3 d, os metais das séries 4 d e 5 d raramente formam íons M 2+ (aq) simples. Poucos exemplos foram caracterizados: [Ru(H 2 O)6]2+ , [Pd(H 2 O)4]2+ , [Pt(H 2 O)4]2+ São formados muitos complexos entre o íon M(II) e outros ligantes que não a água, entre eles estão: Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 37
OS METAIS DO BLOCO d Complexos octaédricos d 6 muito estáveis, como: [Ru(H 2 O)(NH 3)5]2+ Complexos d 6 quadrado piramidais muito raros, como: [Ru(Cl)2(PPh 3)3] Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 38
OS METAIS DO BLOCO d Paládio (II) e platina (II) formam muitos complexos d 8 , quadrado planares, como por exemplo [Pt. Cl 4]2 -. [Pd. Cl 4]2 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 39
OS METAIS DO BLOCO d Estados de Oxidação descendo nos grupos: Nos grupos 4 a 10 o estado de oxidação mais elevado torna-se mais estável descendo no grupo, com a maior mudança de estabilidade ocorrendo entre as duas primeiras séries. A facilidade de oxidação do metal não se correlaciona com o maior estado de oxidação disponível. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 40
APLICAÇÕES DO FERRO Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 41
É o metal de transição mais abundante da crosta terrestre. O ferro é encontrado em numerosos minerais, destacando-se a: Hematita (Fe 2 O 3) Magnetita (Fe 3 O 4) Limonita (Fe. O(OH)) Siderita (Fe. CO 3) Pirita (Fe. S 2) Ilmenita (Fe. Ti. O 3) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 42
A redução dos óxidos para a obtenção do ferro é efetuada em fornos denominados alto forno ou forno alto. Nele são adicionados os minerais de ferro, em presença de coque (C), e carbonato de cálcio (Ca. CO 3) que atua como escorificante. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 43
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O Ferro obtido no processo é chamado de ferro gusa (até 4% de C). O ferro gusa é duro e quebradiço, com baixa resistência mecânica, devido ao excesso de carbono. O aço comum é uma liga de ferro carbono (Fe-C) contendo geralmente de 0, 008 a 2% de carbono Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 45
CARÁTER NOBRE Os metais localizados à direita do bloco d são resistentes à oxidação. Essa resistência é mais evidente para a prata, ouro e os metais 4 d, 5 d e do grupo 8 a 10. Grupo 8 a 10: metais do grupo da platina (ocorrem em minérios contendo platina) Cobre, prata e ouro: metais de cunhagem Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 46
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Para dissolver o ouro é necessário uma mistura de 3: 1 de ácido clorídrico e ácido nítrico (água régia). Au + 4 H+ + NO 3 - + 4 Cl- → [Au. Cl 4]- + NO + 2 H 2 O Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 48
OS METAIS DO BLOCO p Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 49
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Os metais mais pesados do bloco p favorecem os estados de oxidação baixos Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 51
Entre os elementos do bloco p, o silício (Si) e o alumínio (Al) são os mais abundantes e o tálio (Tl) e bismuto (Bi) são os menos abundantes. Os metais do grupo 13 (alumínio) apresentam estado de oxidação + 3 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 52
OS METAIS DO BLOCO f Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 53
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LANTANÍDEOS São metais altamente eletropositivos. São conhecidos como terras raras Marcam o aparecimento dos subníveis f nas configurações eletrônicas (4 f) Do La ao Yb favorecem o estado de oxidação +3 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 55
APLICAÇÕES DOS LANTANÍDEOS Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 56
LANT NIO (La) (Pedras para isqueiros) NEODÍMIO (Nd) PRASEODÍMIO (Pr) CÉRIO (Ce) Camisas incandescentes usadas em lampiões Lentes para óculos de proteção para soldadores PROMÉCIO (Pm) Possível fonte de calor para fornecer força auxiliar à satélites e sondas espaciais Corante para esmalte Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 57
SAMÁRIO (Sm) EURÓPIO(Eu) Fabricação de fones de ouvidos Equipamentos de projeção GADOLÍNIO (Gd) Memória para computadores Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 58
TÉRBIO (Tb) DISPRÓSIO(Dy) Fabricação de CD´s É usado como ativador para a cor verde em tubos de imagens de televisores em cores ÉRBIO (Er) HÓLMIO (Ho) Laser para oftalmologia Fabricação de filtros fotográficos Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 59
TÚLIO (Tm) ITÉRBIO(Yb) Na fabricação de ferritas Aplicação em lasers LUTÉCIO (Lu) Catalisador em reações Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 60
ACTINÍDEOS Envolvem o preenchimento da subcamada 5 f Os primeiros membros da série ocorrem em uma rica variedade de estados de oxidação. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 61
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APLICAÇÕES DOS ACTINÍDEOS Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 63
ACTÍNIO(Ac) TÓRIO(Th) Aumenta a refração de vidros para lentes de câmeras e de binóculos Usado em geradores termoelétricos PROTACTÍNIO(Pa) Elemento radioativo artificial (não há registro do uso do elemento) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 64
UR NIO(U) NETÚNIO(Np) Indústria de aeronaves - urânio metálico Combustível nuclear para reatores de potência na produção de energia elétrica; Elemento radioativo PLUTÔNIO(Pu) Usado nas missões lunar Apollo, como potência, e em equipamentos para uso na superfície lunar. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 65
CÚRIO(Cm) AMERÍCIO(Am) Fonte de ionização para detector de fumaça Elemento radioativo (fonte portátil para radiografia gama) BERQUÉLIO(Bk) Elemento radioativo artificial (não há registro de uso) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 66
EINSTÊNIO(Es) CALIFÓRNIO(Cf) Elemento radioativo artificial (não há registros de seu uso) Elemento radioativo artificial (usado como fonte portátil de nêutrons) FÉRMIO(Fm) Elemento radioativo (não foi totalmente investigado) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 67
MENDELÉVIO(Md) NOBÉLIO(No) Elemento radioativo artificial (não há utilização comercial) Elemento radioativo artificial (não tem uso comercial devido sua raridade) LAURÊNCIO(Lr) Elemento radioativo artificial (não há registros de uso) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009 68
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