CQ-093 Química Inorgânica Fundamental Engenharia Química

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1 CQ-093 Química Inorgânica Fundamental Engenharia Química Responsáveis: Prof. Fábio Souza Nunes Profa. Giovana Gioppo Nunes

2 CQ-093 Química Inorgânica Fundamental Engenharia Química

3 CQ-093 Química Inorgânica Fundamental Engenharia Química

4 CQ-093 Química Inorgânica Fundamental Engenharia Química

5 CQ-093 Química Inorgânica Fundamental

6 Fonte: Abiquim A química brasileira na indústria de transformação

7 Fonte: Abiquim Evolução do faturamento líquido da indústria química brasileira

8 Fonte: Abiquim A indústria química mundial

9 Onde estão os produtos químicos?

10 Onde estão os produtos químicos?

11 Classificação dos produtos químicos

12 Classificação dos produtos químicos

13 Produtos Químicos Produção nos EUA Classificação Produto Químico Milhões de toneladas 1 Ácido sulfúrico 36,64 2 Etileno 25,41 3 Cal 20,12 4 Propileno 16,17 5 Ácido fosfórico 11,00 6 Cloro 10,85 7 Amônia 10,74 8 Carbonato de sódio 10,21 11 Dicloro etileno 9,56 10 Hidróxido de sódio 8,03 Fonte: Chemical and Engineering News

14 Classificação Produto Químico Milhões de toneladas 11 Ácido nítrico 7,38 12 Nitrato de amônio 7,31 13 Etilbenzeno 5,66 14 Uréia 5,63 15 Estireno 5,10 16 Ácido Clorídrico 4,34 17 Cumeno 3,70 18 Óxido de etileno 3,42 19 Sulfato de amônio 2, ,3-Butadieno 1,81 Fonte: Chemical and Engineering News

15 QUÍMICA DOS ELEMENTOS OCORRÊNCIA NATURAL Espodumênio, LiAlSi 2 O 6, Sal gema, NaCl

16 QUÍMICA DOS ELEMENTOS OCORRÊNCIA NATURAL Calcita, CaCO 3 Dolomita, CaMg(CO 3 ) 2

17 QUÍMICA DOS ELEMENTOS OCORRÊNCIA NATURAL Fluorita verde, CaF 2 Fluorita vermelha CaF 2

18 QUÍMICA DOS ELEMENTOS OCORRÊNCIA NATURAL Gipsita, CaSO 4 2H 2 O Gipsita, CaSO 4 2H 2 O Hidroxiapatita, Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH)

19 QUÍMICA DOS ELEMENTOS OCORRÊNCIA NATURAL Bórax, Na 2 [B 4 O 5 (OH) 4 ] 8H 2 O Kernita, Na 2 B 4 O 7 4H 2 O Bauxita

20 QUÍMICA DOS ELEMENTOS OCORRÊNCIA NATURAL grafite e diamante Galena PbS Cassiterita SnO 2

21 Silicatos quartzo SiO 2 Zircon ZrSiO 4 Willemita Zn 2 SiO 4 Enstatita MgSiO 3 Espodumênio LiAl(SiO 3 ) 2 Mica (Si 2 O 5 2- ) n Asbestos (Si 4 O ) n

22 QUÍMICA DOS ELEMENTOS OCORRÊNCIA NATURAL Enxofres rômbico e monoclínico

23 QUÍMICA DOS ELEMENTOS OCORRÊNCIA NATURAL Siderita FeCO 3 Pirita, FeS 2 Rutilo, TiO 2 Magnetita Fe 3 O 4 Hematita Fe 2 O 3 Malaquita CuCO 3 Cu(OH) 2 Calcopirita CuFeS 2 Calcocita, Cu 2 S

24 Li Na K Rb Cs

25 A INDÚSTRIA CLORO-ÁLCALIS Eletrólise Ígnea de Cloreto de Sódio Na + (NaCl) + e- Na(s) 2Cl - (NaCl) Cl 2 (g) + 2e- Célula de Downs

26 Eletrólise de Cloreto de Sódio em solução aquosa NaCl(aq) Na + (aq) + Cl - (aq) A INDÚSTRIA CLORO-ÁLCALIS SODA CAÚSTICA 2H 2 O (aq) + 2e - H 2 (g) + 2OH - (aq) 2Cl - (aq) Cl 2 (g) + 2e- Célula de diafragma 10-12%

27 A INDÚSTRIA CLORO-ÁLCALIS BARRILHA E BICARBONATO DE SÓDIO CaCO 3 (s) + calor CaO(s) + CO 2 (g) NH 3 (g) + H 2 O(l) NH 4 OH(aq) 2NH 4 OH(aq) + CO 2 (g) (NH 4 ) 2 CO 3 (aq) + H 2 O(l) (NH 4 ) 2 CO 3 (aq) + CO 2 (g) + H 2 O(l) 2NH 4 HCO 3 (aq) NH 4 HCO 3 (aq) + NaCl(aq) NH 4 Cl(aq) + NaHCO 3 (s) 2NaHCO 3 (s) + calor Na 2 CO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(l) CaO(s) + H 2 O(l) Ca(OH) 2 (aq) 2NH 4 Cl(aq) + Ca(OH) 2 (aq) 2NH 3 (g) + CaCl 2 (aq) + 2H 2 O(l) Ernest Solvay CaCO 3 (s) + 2NaCl(aq) Na 2 CO 3 (s) + CaCl 2 (aq) Na 2 CO 3 (aq) + CO 2 (g) + H 2 O(l) 2NaHCO 3 (s)

28 N z H A A z e 2 B 1 - d = R A Aplicações 4 o d o d o

29 Aplicações

30 Magnésio o magnésio é único elemento do grupo 2 produzido em larga escala. É um material estrutural de baixa densidade (1,74 g.cm -3 compare com aço 7,8 e Al 2,7) usado na fabricação de ligas contendo Al, Zn, Mn, Pr, Nd e Th usado na fabricação de estruturas e peças de aeronaves e motores de automóveis.

31 Magnésio magnésio pode ser obtido pela redução de dolomita calcinada com liga ferrossilício a 1150 o C, à pressão reduzida: (Método Pidgeon) calor Fe/Si [CaCO 3.MgCO 3 ] 2(CaO.MgO) 2Mg + Ca 2 SiO 4 + Fe magnésio também pode ser obtido por eletrólise de MgCl 2 fundido. O MgCl 2 é obtido da dolomita ou da água do mar que contém 0,13% de íons Mg 2+ Ca(OH) 2 (aq) + MgCl 2 (aq) Mg(OH) 2 (s) + CaCl 2 (aq) Mg(OH) 2 (s) + 2HCl(aq) MgCl 2 (aq) + 2H 2 O(l)

32 Cálcio o cálcio é obtido por eletrólise de CaCl 2 fundido (obtido como subproduto do processo Solvay ou a partir da reação entre CaCO 3 e HCl). o cálcio puro é usado para a produção de ligas com Al, confecção de mancais e na indústria do aço.

33 Dureza da Água

34 Dureza da Água água dura contém bicarbonatos e/ou sulfatos de magnésio e cálcio dissolvidos; Ca 2+ e Mg 2+ reagem com o sabão (estearato de sódio) = H 3 C(CH 2 ) 16 - COO-Na + e precipitam sais insolúveis Classificação da Dureza: Temporária: devido-se à presença de Mg(HCO 3 ) 2 (aq) e Ca(HCO 3 ) 2 (aq) 2HCO 3- (aq) + calor CO 3 2- (aq) + CO 2 (g) + H 2 O(l) CO 3 2- (aq) + M 2+ (aq) MCO 3 (s) (M = Mg ou Ca)

35 Dureza da Água A dureza temporária pode ser eliminada por fervura ou pela adição de cal hidratada: Ca(HCO 3 ) 2 (aq) + Ca(OH) 2 (aq) 2CaCO 3 (s) + 2H 2 O(l) Permanente: Ocorre pela presença de sulfatos de magnésio e/ou cálcio Não pode ser eliminada pela fervura A eliminação requer a adição de carbonato de sódio: CO 3 2- (aq) + M 2+ (aq) MCO 3 (s) (M = Mg ou Ca) CO 3 2- (aq) + H 2 O(l) HCO 3- (aq) + OH - (aq) Mg 2+ (aq) + OH - (aq) Mg(OH) 2 (s)

36 Dureza da Água A dureza permanente pode ser tratada: por destilação e passagem por coluna de troca iônica, onde Ca 2+ e Mg 2+ são substituídos por Na +

37 Dureza da Água A dureza permanente pode ainda ser tratada: pela adição de fosfatos inorgânicos como pirofosfato (P 2 O 7 4- ) ou polifosfatos (P 3 O ) que complexam os íons Ca 2+ e Mg 2+ ânion pirofosfato tripolifosfato de sódio

38 GRUPO 13 Ga CQ133 FSN

39 Produção de Alumínio Refino da bauxita (Processo Bayer) e Produção de Alumínio (Processo Hall-Héroult) 2AlO(OH)(s) + 2NaOH(aq) + 2H 2 O(l) 2NaAl(OH) 4 (aq) SiO 2 (s) + 2NaOH(aq) Na 2 SiO 3 (aq) + H 2 O(l) Al(OH) 4- (aq) + CO 2 (g) Al(OH) 3 (s) + HCO 3- (aq) Al(OH) 3 (s) + calor Al 2 O 3 (s) + H 2 O(g) Al(OH) 3 (s) + 6HF(g) [AlF 6 ] 3- (aq) + 3H 3 O + (aq) [AlF 6 ] 3- (aq) + 3H 3 O + (aq) + 3NaOH(aq) + calor Na 3 AlF 6 (s) + 6H 2 O(g) criolita Eletrólise ígnea Na 3 AlF 6 (s) + Al 2 O 3 + CaF 2 + AlF 3 Al(l) AlO(OH) = bauxita

40 O Processo Hall 1886 Charles Hall Al e - Al(l) 2O 2- + C(s) CO 2 (g) + 4e -

41 Reação Termita 2Al(s) + 3/2O 2 (g) Al 2 O 3 (s) Cr 2 O 3 (s) + 2Al(s) 2Cr(s) + Al 2 O 3 (s)

42 APLICAÇÕES Aço Lã de vidro Fibra de vidro

43 APLICAÇÕES

44 APLICAÇÕES Ga e In fabricação de transistores e semicondudores

45 GRUPO 14 Si Sn CQ133 FSN C Ge Pb diamante grafite

46 Silicatos quartzo SiO 2 Zircon ZrSiO 4 Willemita Zn 2 SiO 4 Enstatita MgSiO 3 Espodumênio LiAl(SiO 3 ) 2 Mica (Si 2 O 5 2- ) n Asbestos (Si 4 O ) n

47 O C SiO 2 (l) + Ccoque(s) Si(l) + CO 2 (g) (idem p/ Ge e Sn) 98% puro Purificação para a produção de semicondutores e transistores: Si(s) + 3HCl(g) SiHCl 3 (g) + H 2 (g) (T = 300 O C) SiHCl 3 (g) + H 2 (g) Si(s) + 3HCl(g) (T = 1000 o C) 99,999 % puro (processo Siemens) 2PbS(s) + 3O 2 (g) 2PbO(s) + 2SO 2 (g) (ustulação) PbO(s) + CO(g) Pb(l) + CO 2 (g) Cassiterita SnO 2 Galena PbS

48 grafite CARBONO E ALOTROPIA grafeno diamante Buckminster fullereno esférico, C 60 carbono amorfo Fullereno tubular

49 CARBONO E ALOTROPIA Negro de fumo: combustão incompleta de hidrocarbonetos: pó muito fino que se agrupa aleatoriamente; partículas de 10 a 500 nm; área superficial de m 2 /g Usos: carga de borracha para pneus (cerca de 3kg/pneu) Pigmento negro para tintas e impressoras Carvão ativado: produto sintético obtido pela desidratação química de pó de madeira com ácido fosfórico ou ZnCl 2 (1-3 partes para cada parte de serragem) entre 400 a 700 o C. Possui alta área superficial, m 2 /g Usos: descoloração de produtos naturais como açúcares, óleos, bebidas, no tratamento de água, em filtros de gases e purificadores de ar Fibras de carbono: obtidas pela degradação na ausência de ar, a 300 o C e 1000 o C, de polímeros que não fundem como celulose, algodão, lã, acrilonitrila Usos: confecção de tecidos, redes termorresistentes, reforço em plásticos, produção de materiais extremamente leves e resistentes usados produção de aviões, carros e barcos

50 Principais óxidos do carbono Monóxido de carbono 1. C(s) + 1/2O 2 (g) + calor CO(g) 2. C(s) + H 2 O(g) + calor CO(g) + H 2 (g) gás d água 3. 2C(s) + O 2 (g) + 4N 2 (g) + calor 2CO(g) + 4N 2 (g) gasogênio

51 Produção industrial de ferro Fe 2 O 3 (s) + 3CO(g) 2Fe(s) + 3CO 2 (g)

52 Principais óxidos do carbono Dióxido de carbono 1. CO(g) + H 2 O + calor CO 2 (g) + H 2 (g) 2. CH 4 (g) + 2H 2 O + calor CO 2 (g) + 4H 2 (g) 3. Recuperado de processos fermentativos: C 6 H 12 O 6 (s) 2C 2 H 5 OH(l) + 2CO 2 (g) 4. dos gases liberados na calcinação do calcário; CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) 5. dos gases efluentes de usinas termelétricas alimentadas a carvão. 6. CaCO 3 (s) + 2HCl(aq) CaCl 2 (aq) + CO 2 (g) + H 2 O(l)

53 APLICAÇÕES

54 APLICAÇÕES

55 APLICAÇÕES

56 APLICAÇÕES

57 Nitrogênio e Fósforo o nitrogênio é obtido em escala industrial liquefazendo-se o ar e então realizando a destilação fracionada; (outros gases industriais são obtidos desta maneira como O 2, Ne, Ar, Kr e Xe); o nitrogênio na forma de nitratos (NH 4 NO 3, NaNO 3 ) e NH 3 tem sido usados como fertilizantes e constituintes de explosivos; o gás nitrogênio é usado em grandes quantidades como atmosfera inerte; o nitrogênio líquido é usado como agente refrigerante;

58 Nitrogênio e Fósforo fósforo é obtido pela redução de Ca 3 (PO 4 ) 2 com coque, num forno elétrico a o C, na presença de SiO 2 : 2Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) + 10C(s) + 6SiO 2 (s) 6CaSiO 3 (s) + P 4 (s) + 10CO(g) 85% do P 4 é empregado na síntese de ácido fosfórico, H 3 PO 4 ; 10% na fabricação de P 4 S 10 usado na fabricação de organofosforados e P 4 S 3 usado na fabricação de fósforos de segurança: P 4 (s) + 5O 2 (g) P 4 O 10 (s) + 6H 2 O(l) 4H 3 PO 4 (l) P 4 (s) + 10S(s) P 4 S 10 (s) P 4 (s) + 3S(s) P 4 S 3 (s)

59 (alta pressão) fósforo branco fósforo preto o fósforo preto é uma forma altamente polimerizada e mais estável termodinamicamente; Nitrogênio e Fósforo Nitrogênio é um gás inerte, com uma ligação tripla N N com comprimento 1,09 Å e energia de dissociação de 945 kj.mol -1 ; o fósforo branco é mole, bastante reativo e encontrado na forma de moléculas tetraédricas P 4 ; 250 o C fósforo branco fósforo vermelho; fósforo vermelho é um sólido polimérico muito menos reativo que o fósforo branco;

60 Nitrogênio e Fósforo COMPOSTOS IMPORTANTES Amônia é um gás tóxico e bastante solúvel em água; Usada como fertilizante; na produção de HNO 3, N 2 H 4 e uréia; Amônia é uma base fraca: NH 3 (g) + H 2 O(l) NH 4+ (aq) + OH - (aq) K = 1,8x10-5 Preparação na indústria pelo Processo Haber-Bosch: Fe/200 atm, 450 o C 3H 2 (g) + N 2 (g) 2NH 3 (g) + calor

61 Nitrogênio e Fósforo COMPOSTOS IMPORTANTES Ácido nítrico, HNO 3 é o oxoácido mais importante do nitrogênio; É um ácido forte: HNO 3 (aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + NO 3- (aq) Obtenção através do Processo Ostwald: oxidação catalítica da amônia a NO, seguida da oxidação do NO a NO 2 : Pt/Rh/5 atm, 850 o C 4NH 3 (g) + 5O 2 (g) 4NO(g) + 6H 2 O(g) NO(g) + ½O 2 (g) NO 2 (g) 3NO 2 (g) + H 2 O(g) 2HNO 3 (aq) + NO(g) NH 3 (g) + 2O 2 (g) HNO 3 (aq) + H 2 O(g) (reação global)

62 Oxigênio e Enxofre oxigênio constitui 89% em peso das águas dos oceanos; enxofre é o 16 o elemento mais abundante e constitui 0,034% em peso da crosta terrestre; a maior parte do oxigênio é produzida pela fotossíntese: 6CO 2 (g) + 6H 2 O(g) + energia solar C 6 H 12 O 6 (g) + 6O 2 (g) oxigênio também ocorre nos óxidos de metais e em oxo-sais como CO 3 2-, SO 4 2-, NO 3 - e BO 3 3- ; enxofre ocorre principalmente na forma de SO 4 2-, S 2-, mas também ocorre na forma não combinada;

63 Oxigênio e Enxofre OBTENÇÃO E APLICAÇÕES o oxigênio é obtido industrialmente pela destilação fracionada do ar líquido; maior parte do oxigênio é usada na fabricação do aço; oxigênio é usado também para a obtenção de TiO 2 a partir de TiCl 4. O TiO 2 é usado como pigmento branco em tintas e papéis; oxigênio é usado para oxidar NH 3 no processo de obtenção de HNO 3

64 OBTENÇÃO E APLICAÇÕES Oxigênio e Enxofre grandes quantidades do enxofre são obtidas a partir do gás natural e do petróleo pelo oxidação do gás sulfídrico: 2H 2 S(g) + O 2 (g) 2S(s) + 2H 2 O(l) enxofre é encontrado em grandes depósitos subterrâneos pelo processo Frasch, fornecendo S de alta pureza;

65 Ácido sulfúrico OBTENÇÃO E APLICAÇÕES 90% do enxofre é convertido em SO 2 (g), depois em SO 3 (g) e finalmente em H 2 SO 4 Pt ou V 2 O 5 SO 2 (g) + O 2 (g) SO 3 (g) SO 3 (g) + H 2 SO 4 (aq, 98%) H 2 S 2 O 7 (l) ácido pirossulfúrico ou óleum H 2 S 2 O 7 (l) + H 2 O(l) 2H 2 SO 4 (l)

66 Ácido sulfúrico Aplicações a) fabricação de fertilizantes; b) sulfonação de ácidos graxos fab. de detergentes; c) fabricação de tintas; d) na limpeza de metais; e) no refino do petróleo; f) é o eletrólito das baterias de chumbo; g) um oxidante relativamente forte ; h) absorve água com avidez usado como agente dessecante para gases;

67 Oxigênio e Enxofre OBTENÇÃO E APLICAÇÕES enxofre reage com alcenos formando ligações cruzadas importantes para a vulcanização da borracha; CH 3 S CH 3 H 3 C C=C H CH 2 H 2 C H 3 C H C=C CH 2 H 2 C n + S S S S S S S S C H C C C C C C H 2 H 2 H H 2 H 2 C C H C H 2 C H 2 C H 2 S S CH 3 S CH 3 C C C C C C H 2 H 2 H H 2 H 2 C C H C H 2 S S CH 3 CH 3 S CH 3 C C H C C C C C C H 2 H 2 H H 2 H 2 C C H C H 2 S n

68 HALOGÊNIOS CQ133 FSN F

69 Produção de F 2 (g): CaF 2 (s) + H 2 SO 4 (aq) CaSO 4 (s) + 2HF(g) eletrólise ígnea 2HF (em KF fundido) H 2 (g) + F 2 (g) Produção de Cl 2 (g): eletrólise de salmoura 2NaCl(aq) + 2H 2 O(l) 2NaOH(aq) + Cl 2 (g) + H 2 (g) eletrólise ígnea 2NaCl(l) 2Na(s) + Cl 2 (g) Produção de Br 2 (l): ph = 3,5 2Br - (aq) + Cl 2 (aq) 2Cl - (aq) + Br 2 (aq) Produção de I 2 (s): 2I - (aq) + Cl 2 (aq) 2Cl - (aq) + I 2 (s) ou 2IO 3- (aq) + 5HSO 3- (aq) I 2 (s) + 5SO 4 2- (aq) + 3H + (aq) + H 2 O(l)

70 HF HALETOS DE HIDROGÊNIO CaF 2 (s) + H 2 SO 4 (aq) CaSO 4 (s) + 2HF(g) USOS usado na produção de clorofluorocarbonetos (freons ou CFC usados como fluidos refrigerantes e propelentes de aerossóis: condições anidras / SbCl5 CCl 4 + 2HF CCl 2 F 2 + 2HCl empregado na produção de AlF 3 e criolita sintética, empregados na obtenção de alumínio; usado no processamento de urânio; usado como catalisador de reações de alquilação na indústria petroquímica; usado no tratamento do aço, para gravar vidro, fabricar herbicidas;

71 HCl HCl de alta pureza é obtido pela combinação direta dos elementos: H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl(g) (na indústria) grandes quantidades de HCl impuro são obtidas como subproduto da indústria orgânica pesada. Ex. na conversão de 1,2-dicloroetano, ClCH 2 -CH 2 Cl, em cloreto de vinila, CH 2 =CHCl. USOS limpeza de metais remoção de camadas de óxidos na obtenção de cloretos de metais e de corantes; neutralização de bases

72 APLICAÇÕES