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 A importância do setor industrial na economia O Brasil é hoje a 8 a economia do mundo e a 1 a da América Latina A indústria contribui: com 22% do PIB 50% das exportações 66% do investimento do setor privado em P&D 30% da contribuição fiscal Fonte: Abiquim

7 A indústria química brasileira POSIÇÃO DE DESTAQUE US$ 119,6 bilhões faturamento líquido em 2017 US$ 58,1 bilhões produtos químicos de uso industrial o maior PIB da indústria 10,4% ,5% do PIB Brasil 400 mil Empregos diretos 2 milhões empregos indiretos Salários: dobro da indústria de transformação Fonte: Abiquim

8 Fonte: Abiquim A química brasileira na indústria de transformação

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

10 Faturamento da indústria química brasileira por segmento em 2017 (US$119,6 bilhões) Fonte: Abiquim

11 Utilização da capacidade instalada (UCI) da indústria química brasileira Fonte: Abiquim, CNI

12 A indústria química mundial 8 a Fonte: Abiquim

13 Onde estão os produtos químicos?

14 Onde estão os produtos químicos?

15 Classificação dos produtos químicos

16 Classificação dos produtos químicos

17 A indústria química brasileira Unidades de produção 11 unid. EXTRAÇÃO e REFINO petróleo e gás 06 unid. 1 a GERAÇÃO petroquímicos básicos (eteno, propeno, butadieno, benzeno, xilenos) 2,5 mil unid. ind. e 2,3 mil empresas 2 a GERAÇÃO químicos intermediários e resinas termoplásticas (PE, PP, PS, PET, SBR) 12 mil empresas 3 a GERAÇÃO transformadores plásticos (embalagens, autopeças, eletrodomésticos, tubos) Fonte: Abiquim, Abiplast e Braskem

18 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

19 Classificação Produto Químico Milhões de toneladas 11 Hidrogênio Benzeno Ácido fosfórico ,4-Dimetil benzeno Ácido Clorídrico Etilenoglicol Óxido de etileno ,3-Butadieno Dióxido de titânio 5,1 20 Peróxido de Hidrogênio 3,8 Fonte: The Essential Chemical Industry

20 GRUPO 1

21 GRUPO 1 - A INDÚSTRIA CLORO-ÁLCALIS MATÉRIA PRIMA Mina de Sal Gema em Cheshire, Reino Unido NaCl obtido da evaporação da água do mar

22 GRUPO 1 - METAIS ALCALINOS OBTENÇÃO Eletrólise Ígnea de Cloreto de Sódio Na + (NaCl) + e- Na(s) 2Cl - (NaCl) Cl 2 (g) + 2e- Célula de Downs

23 GRUPO 1 A INDÚSTRIA CLORO-ÁLCALIS Produção de soda cáustica Eletrólise de Cloreto de Sódio em solução aquosa NaCl(aq) Na + (aq) + Cl - (aq) 2H 2 O (aq) + 2e - H 2 (g) + 2OH - (aq) 2Cl - (aq) Cl 2 (g) + 2e -

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

25 GRUPO 1 Produção de hidróxido de sódio Célula de cátodo de mercúrio Célula de diafragma NaOH(aq) 12% NaOH(aq) 50% Célula de membrana NaOH(aq) 30%

26 BARRILHA OU SODA LEVE MÉTODO SOLVAY CaCO 3 (s) 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) 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)

27 BICARBONATO DE SÓDIO Processo Solvay

28 BARRILHA OU SODA LEVE

29 BICARBONATO DE SÓDIO É preparado pela carbonatação de uma solução saturada de carbonato de sódio com CO 2 (g) comprimido a 40 o C: Na 2 CO 3 (aq) + CO 2 (g) + H 2 O(l) 2NaHCO 3 (s)

30 GRUPO 2

31 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 aço 7,8 e Al 2,7); compare com 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.

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, 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.

33 Dureza da Água

34 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)

35 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)

36 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 +

37 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 +

38 Dureza da Água tratamento por osmose reversa

39 Dureza da Água tratamento por osmose reversa

40 Dureza da Água tratamento por osmose reversa

41 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;

42 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

43 GRUPO 13

44 GRUPO 13 Ga CQ133 FSN

45 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

46 O Processo Hall-Heroult 1886 Charles Hall (EUA) e Paul Heroult (França) Al e - Al(l) 2O 2- + C(s) CO 2 (g) + 4e - 10 a 13 kwh / kg de Al 400 células de 8x4x1m ton Al / ano

47 ALUMÍNIO 2 o metal mais produzido depois do ferro 39.7 bilhões de toneladas/ano baixa densidade, maleável, resistente à corrosão, bom condutor de eletricidade e facilmente reciclado com baixo uso de energia (5% da necessária para sua produção) Forma ligas metálicas com Cu, Zn, Mg, Mn, Si; Ex. Duralumínio: (94%Al, Cu, Mg e Mn)

48 ALUMÍNIO metal estrutural em aviões, navios, automóveis e trocadores de calor; na construção civil (portas, janelas, divisórias); embalagens para bebidas, tubos para creme dental, papel alumínio; fabricação de utensílios de cozinha; fabricação de cabos elétricos; Al(OH) 3 é muito usado como antiácido, Al 2 (SO 4 ) 3 é usado no tratamento de água potável.

49 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)

50 GRUPO 14

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

52 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

53 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

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

55 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

56 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

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

58 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)

59 APLICAÇÕES

60 APLICAÇÕES

61 APLICAÇÕES

62 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;

63 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)

64 (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;

65 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

66 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)

67 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;

68 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

69 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;

70 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 V2O5 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)

71 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;

72 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

73 HALOGÊNIOS CQ133 FSN F

74 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)

75 HALOGÊNIOS USOS Flúor a produção de flúor só se tornou importante com o início da fabricação de fluoretos inorgânicos como NaF a indústria nuclear consome 75% do flúor produzido usado no processamento de urânio; UO 2 + 4HF UF 4 + 2H 2 O UF 4 + F 2 UF 6 UF 4 + ClF 3 UF 6 + ClF os fluoroalcenos podem ser polimerizados: o C 2CHClF 2 CF 2 =CF 2 + 2HCl os polímeros podem ser óleos e graxas ou sólidos de alta massa molar como o politetrafluoreteno (PFTE) ou Teflon é inerte quimicamente e isolante elétrico, usado como revestimento de utensílios de cozinha;

76 HALOGÊNIOS USOS Flúor os freons são clorofluorocarbonetos mistos como por ex.: CClF 3, CCl 2 F 2 e CCl 3 F são fluidos refrigerantes não-tóxicos e propelentes de aerossóis flúor é usado na fabricação de SF 6, um gás inerte, usado como isolante elétrico em equipamentos de alta tensão; pequenas quantidades do íon fluoreto, F -, na água potável (cerca de 1 ppm) reduzem as cáries nos dentes conversão da hidroxiapatita, [3(Ca 3 (PO 4 ) 2 ) Ca(OH) 2 ] em fluoroapatita, [3(Ca 3 (PO 4 ) 2 ) CaF 2 ] mais dura; Cloro cloro é usado para o branqueamento de polpa de papel, tratamento de água, produção de HCl, de sais inorgânicos como NaClO e de policloreto de vinila (PVC): CH 2 =CH 2 + Cl 2 CH 2 Cl-CH 2 Cl (cat = FeCl 3 ) CH 2 Cl-CH 2 Cl HCl + CH 2 =CHCl (T= 500 o C)

77 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;

78 HALETOS DE HIDROGÊNIO 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. 2NH 4 Cl + H 2 SO 4 2HCl + (NH 4 ) 2 SO 4 (no laboratório) USOS limpeza de metais remoção de camadas de óxidos galvanoplastia na obtenção de cloretos de metais e de corantes; neutralização de bases