Metais Alcalino-Terrosos

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1 Metais Alcalino-Terrosos

2 GRUPO 2

3 Produtos Químicos Produção Mundial Classificação Produto Químico Milhões de toneladas 1 Cal Ácido sulfúrico Etileno Uréia Amônia Propileno 80 7 Hidróxido de sódio 66 8 Ácido nítrico 60 9 Cloro Carbonato de sódio 50 Fonte: The Essential Chemical Industry

4 OCORRÊNCIA Be ocorre na forma de silicatos e aluminossilicatos como o berilo Be 3 Al 2 Si 6 O 16 e a fenacita Be 2 SiO 4 Mg ocorre como carbonatos, sulfatos, cloretos e hidroxissilicatos: ex: Dolomita MgCO 3 CaCO 3 berilo dolomita A calcita (CaCO 3 ), a hidroxiapatita (Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH)), a fluorapatita e a fluorita (CaF 2 ) são os principais minérios do cálcio calcita Celestita e a Barita são sulfatos de estrôncio e de bário celestita barita fluoritas vermelha e verde

5 OBTENÇÃO E APLICAÇÕES os metais desse grupo não podem ser obtidos facilmente por redução química, porque eles próprios são fortes redutores, além de reagirem com carbono formando carbetos são fortemente eletropositivos e reagem com água os elementos podem ser obtidos por eletrólise de seus cloretos fundidos; M 2+ (MCl2) + 2e- M(s)

6 OBTENÇÃO E APLICAÇÕES BERÍLIO extraído dos silicatos por tratamento com HF, o que leva à formação de Na 2 [BeF 4 ] Be(OH) 2 BeO material cerâmico usado em reatores nucleares; berílio metálico é obtido pela eletrólise de BeCl 2 fundido, obtido pelo tratamento térmico de Be(OH) 2 na presença de carbono e Cl 2 ; Be também pode ser obtido pela redução de BeF 2 com Mg; berílio é usado na obtenção de ligas. Be-Cu (2% de berílio aumenta a resistência de 5 a 6 vezes). Be-Ni usada na fabricação de molas e contatos elétricos. O berílio possui uma capacidade de absorção muito baixa, sendo usado na fabricação de janelas dos tubos de raios-x.

7 Magnésio o magnésio é único elemento do grupo 2 produzido em larga escala e o terceiro mais usado depois de ferro e alumínio; 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. o magnésio é importante em síntese orgânica, sendo usado na preparação dos reagentes de Grignard, RMgBr.

8 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 ou parcialmente hidratado. 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)

9 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, na indústria do aço para controlar a quantidade de carbono. Também é usado como redutores na obtenção de Zr, Cr, Th e U. Elemento essencial á vida, presente nos ossos, participa no funcionamento de músculos e nervos.

10 OBTENÇÃO E APLICAÇÕES ESTRÔNCIO E BÁRIO o estrôncio e bário metálicos são produzidos em quantidades bem menores, por eletrólise dos cloretos fundidos ou pela redução de seus óxidos com alumínio (reação termita ou aluminotermina): M 2+ (MCl2) + 2e - M(s) 6MO(s) + 2Al(s) + calor 3M(s) + M 3 Al 2 O 6 (M = Sr ou Ba)

11 Metais alcalinos versus alcalino-terrosos Raio metal Å Raio iônico Å PF o C 1 a E.I. kj. mol -1 2 a E.I. kj. mol -1 DH hid kj mol -1 d g.cm -3 Li 1,52 0, ,54 Na 1,86 1, ,97 K 2,27 1, ,86 Rb 2,48 1, ,53 Cs 2,65 1, ,90 Be 1,12 0, ,85 Mg 1,60 0, ,74 Ca 1,97 1, ,55 Sr 2,15 1, ,63 Ba 2,22 1, ,62

12 Metais alcalino-terrosos os metais do grupo 2 têm cor prateada; possuem dois elétrons de valência que podem participar de ligações metálicas; os átomos são menores que os elementos do grupo 1 devido ao aumento da carga nuclear efetiva são mais densos; os íons M 2+ são mais duros, possuem maior relação carga/raio; as energias de ligação e os pontos de ebulição são muito mais elevados que os dos metais do grupo 1; os pontos de fusão não variam de modo regular, porque os metais assumem diferentes estruturas cristalinas;

13 Metais alcalino-terrosos 1 a EI + 2 a EI é quase quatro a cinco vezes maior que a energia necessária para formar um íon M + a partir dos elementos do grupo 1 a energia liberada na formação do retículo cristalino é muito grande para estabilizar os íons M 2+ a terceira energia de ionização (EI) é tão elevada que os íons M 3+ nunca são formados; a EI do berílio é muito alta forma compostos covalentes; compostos formados por Mg, Ca, Sr e Ba são predominantemente iônicos

14 Metais alcalino-terrosos Energias de hidratação os valores de são 4 a 5 vezes maior que as dos correspondentes íons do grupo 1. Isto se deve principalmente ao menor tamanho e maior carga; as energias de hidratação decrescem de cima para baixo dentro do grupo, com o aumento do raio; os compostos cristalinos do grupo 2 contêm mais moléculas de água de cristalização que os correspondentes compostos do grupo 1 Exemplo: NaCl e KCl são anidros MgCl 2 6H2O, CaCl 2 H 2 O e BaCl 2 2H 2 O

15 Metais alcalino-terrosos O COMPORTAMENTO ANÔMALO DO BERÍLIO O berílio difere dos demais elementos do grupo por três motivos: o berílio é muito pequeno, e as regras de Fajans estabelecem que íons pequenos de carga elevada tendem a formar compostos covalentes; berílio possui uma eletronegatividade relativamente elevada quando reage com outros átomos, a diferença de eletronegatividade é diminui favorece a formação de complexos covalentes; os orbitais disponíveis para ligação são 2s e 2p o Berílio forma no máximo quatro ligações número de coordenação máximo = 4; moléculas lineares só existem na fase gasosa;

16 Metais alcalino-terrosos SOLUBILIDADE E ENERGIA RETICULAR as energias reticulares são muito maiores que as dos correspondentes do grupo 1, por causa do efeito da carga: U a z + z - /r o a solubilidade depende da energia reticular do sólido e da energia de hidratação dos íons; descendo pelo grupo os raios aumentam energias de hidratação e reticular diminuem; energia reticular baixa favorece a solubilização, porém, energia de hidratação baixa não favorece a dissolução os fatores variam em sentidos opostos; na maioria dos casos, a energia de hidratação decresce mais rápido que a energia reticular compostos pouco solúveis a medida que o raio aumenta.

17 Metais alcalino-terrosos SOLUBILIDADE E ENERGIA RETICULAR energia reticular baixa favorece a solubilização, porém, energia de hidratação baixa não favorece a dissolução os fatores variam em sentidos opostos; na maioria dos casos, a energia de hidratação decresce mais rápido que a energia reticular compostos pouco solúveis a medida que o raio aumenta. M 2+ K ps Sulfato K ps hidróxido Mg solúvel 8,9x10-12 Ca 2,4x10-5 1,3x10-6 Sr 7,6x10-7 3,4x10-4 Ba 1,5x ,0x10-3

18 Dureza da Água

19 Dureza da Água água dura contém bicarbonatos e/ou sulfatos de magnésio e cálcio dissolvidos Classificação da Dureza: Temporária e Permanente Temporária: devido-se à presença de Mg(HCO 3 ) 2 e Ca(HCO 3 ) 2 Pode ser eliminada pela fervura: 2HCO 3- (aq) + calor CO 2-3 (aq) + CO 2 (g) + H 2 O(l) CO 2-3 (aq) + Ca 2+ (aq) CaCO 3 (s) pode ser eliminada pela adição de cal hidratada: Ca(HCO 3 ) 2 (aq) + Ca(OH) 2 (aq) 2CaCO 3 (s) + 2H 2 O(l)

20 Dureza da Água Dureza 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 2-3 (aq) + Ca 2+ (aq) CaCO 3 (s) Se houver muito Mg 2+, pode haver a precipitação na forma de hidróxido: CO 2-3 (aq) + H 2 O(l) HCO 3- (aq) + OH - (aq) Mg 2+ (aq) + 2OH - (aq) Mg(OH) 2 (s)

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

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

23 Dureza da Água tratamento por osmose reversa

24 Dureza da Água tratamento por osmose reversa

25 Dureza da Água tratamento por osmose reversa

26 Dureza da Água Água dura reduz a eficiência da limpeza; Ca 2+ e Mg 2+ reagem com o sabão (estearato de sódio) = H 3 C(CH 2 ) 16 -COO-Na + e precipitam, prejudicando a formação de micelas;

27 Dureza da Água A dureza pode ainda ser tratada pela adição de complexantes como fosfatos inorgânicos, P 2 O 4-7 ou P 3 O 5-10 ou edta = etilenodiaminatetraacetato, que atuam como agentes quelatos formando compostos de coordenação muito estáveis com os íons Ca 2+ e Mg 2+ e solúveis em água: ânion pirofosfato tripolifosfato de sódio complexo com edta

28 Metais alcalino-terrosos COMPOSTOS IMPORTANTES Carbonatos e bicarbonatos: CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) Sulfatos: CaSO 4 1/2H 2 O(s) Gesso; BaSO 4 (s) contraste Haletos: CaF 2 (s) Fluorita Carbetos: CaO(s) + 3C(s) + calor CaC 2 (s) + CO(g) CaC 2 (s) + 2H 2 O(l) Ca(OH) 2 + C 2 H 2 (g) CaC 2 (s) + N 2 (g) + calor CaNCN(s) + C(s) cianamida cálcica CaNCN(s) + H 2 O(l) CaCO 3 (s) + 2NH 4 OH(aq) CaNCN(s) + H 2 SO 4 (aq) + H 2 O(l) H 2 NC(O)NH 2 (s) uréia

29 COMPOSTOS ORGANOMETÁLICOS Be e Mg formam compostos com ligação M-C; Vitor Grignard (químico francês) recebeu o Prêmio Novel de Química em 1912 por seus trabalhos pioneiros com os compostos organometálicos de Mg; os reagentes de Grignard são obtidos pela reação de um haleto de alquila ou arila com Mg em éter seco: Mg + RBr RMgBr Metais alcalino-terrosos todos os reagentes de Grignard são hidrolisados gerando hidrocarbonetos: 2RMgBr + 2H 2 O 2RH + Mg(OH) 2 + MgBr 2 Outras reações típicas dos reagentes de Grignard: RMgBr + CO 2 + ácido RCOOH RMgBr + R 2 C=O R 3 COH RMgBr + RCHO R 2 CHOH RMgBr + O 2 + ácido ROH RMgBr + S 8 RSH e R 2 S