MÓDULOS DIDÁTICOS DE QUÍMICA. TÓPICO 1: METAIS: CARACTERÍSTICAS, TRANSFORMAÇÕES E RECICLAGEM. Autores: Marciana Almendro David e Penha Souza Silva

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1 MÓDULOS DIDÁTICOS DE QUÍMICA TÓPICO 1: METAIS: CARACTERÍSTICAS, TRANSFORMAÇÕES E RECICLAGEM. Autres: Marciana Almendr David e Penha Suza Silva CONTEÚDO DO MÓDULO: METAIS: CARACTERÍSTICAS, TRANSFORMAÇÕES E RECICLAGEM. Intrduçã Os metais sã antigs cnhecids d hmem, que há muit, muit temp, passu a utilizá-ls para a fabricaçã de ferramentas, utensílis e armas, substituind as pedras, antes utilizadas para essas finalidades. Essa fi, prvavelmente, a primeira revluçã tecnlógica d mund. E cm as utras que a sucederam, também prprcinu a hmem a pssibilidade de usar um nv cnheciment para bem cmum, cntribuind, pr exempl, para mair eficiência na agricultura, na caça, na cnstruçã de mradias, além de utrs benefícis. Mas, também, pôde ser usada na fabricaçã de armas, favrecend pderi militar daqueles pvs que detinham cnheciment sbre a utilizaçã ds metais, cntribuind assim para a destruiçã e a mrte. A mairia ds metais nã é encntrada na frma elementar na natureza, mas cmbinads, fazend parte da cmpsiçã de diversas rchas. A cntrári, ur, a prata e cbre sã encntrads n estad nativ e pr ist fram s primeirs metais a serem utilizads pel hmem. Nã se sabe exatamente desde quand eles sã cnhecids, mas fat é que peças desses metais fram encntradas em escavações que datam de alguns milhares de ans antes da era cristã. A btençã da mairia ds metais exige que s seus minéris passem pr prcesss físics e químics. Dessa frma, sã eliminadas as impurezas existentes ns minéris e é feit islament d metal que, numa última etapa, geralmente envlve reações de reduçã. Pr exempl, ferr é btid da hematita (Fe2O3) pr reduçã desse cmpst cm mnóxid de carbn (CO). Inicialmente, a hematita é aquecida em alt frn juntamente cm carvã (carbn). O carbn é xidad a CO (mnóxid de carbn) e ferr é reduzid e sfre fusã. O mnóxid de carbn queima na chaminé prduzind dióxid de carbn (gás carbônic, CO2), cnfrme representad pelas equações a seguir: Simplificand, pdems representar a reaçã de reduçã d ferr pela seguinte equaçã: Antes da reduçã, entretant, muits minéris, cuja quantidade de impurezas pde ser bastante elevada, precisam passar pr prcesss de purificaçã - prcesss físics de separaçã de misturas sólid-sólid. Os mais utilizads sã s prcesss de separaçã gravitacinal, u seja, a separaçã d minéri desejad de utrs sólids é feita pr dispersã da mistura em meis fluids, cujas densidades pdem ser ajustadas, de md a prmver a flutuaçã u a decantaçã ds diferentes materiais a serem separads. Neste módul didátic, estudarems um puc sbre s metais e suas características, tend sempre presente a sua psiçã na tabela periódica. Enfatizarems alguns metais mais cmuns, tais cm ferr, alumíni e cbre: verems cm sã btids e utilizads e estudarems também algumas transfrmações sfridas pr eles, em especial, s prcesss de xidaçã (crrsã) s meis que a favrecem e cm evitá-la, particularmente a crrsã d ferr. ARTICULAÇÃO DE CONCEITOS DE QUÍMICA E CONTEXTOS ESQUEMA 1: Fcs de Interesse da Química

2 ESQUEMA 2: Abrdagem Temática d Ensin ESQUEMA 3: Aspects d Cnheciment Químic Tópics d CBC e habilidades básicas Relacinadas Tópic 1. Materiais: prpriedades 1.1. Recnhecer a rigem e crrência de materiais Relacinar as prpriedades ds materiais, cm plástics, metais, papel e vidr, as seus uss, degradaçã e reaprveitament Apntar, pr exempl, a diversidade de uss ds materiais e suas cnseqüências ambientais, principalmente relacinadas a aqueciment glbal Identificar prpriedades específicas e a diversidade ds materiais Identificar Temperatura de Fusã (TF), Temperatura de Ebuliçã (TE), Densidade e Slubilidade cm prpriedades específicas ds materiais Diferenciar misturas de substâncias a partir das prpriedades específicas. Tópic 2. Materiais: cnstituiçã 2.2. Saber cnceit de element químic Identificar s símbls ds elements químics mais cmuns Lcalizar elements químics mais cmuns na Tabela Periódica.

3 Utilizar cnceit de element químic em situações prblema. Tópic 3. Materiais: transfrmações químicas (TQ) 3.1. Recnhecer a crrência de TQ Relacinar TQ cm a frmaçã de nvs materiais cujas prpriedades específicas sã diferentes daquelas ds reagentes Recnhecer evidências cm indícis da crrência de reaçã Inferir sbre a crrência de TQ, a partir da cmparaçã entre sistemas inicial e final Recnhecer a crrência de uma TQ pr mei de um experiment u de sua descriçã Planejar e executar prcediments experimentais simples envlvend TQ Recnhecer e representar TQ pr mei de equações Recnhecer uma TQ cm uma transfrmaçã que envlve rearranj de átms Recnhecer a cnservaçã da massa nas TQ Prpr e recnhecer prcediments experimentais simples para a determinaçã das quantidades envlvidas nas transfrmações químicas. Tópic 9. Energia: mviment de elétrns 9.1. Identificar espécies presentes em transfrmações de xidaçã-reduçã Identificar alguns metais pr suas características físicas e químicas Identificar espécies químicas resultantes das pssíveis alterações na carga elétrica de átms u de grups de átms Recnhecer prcesss de Oxidaçã e Reduçã Classificar s prcesss químics cm xidaçã u reduçã de acrd cm a variaçã de carga elétrica das espécies Relacinar a frmaçã de íns a mviment de elétrns Relacinar a frmaçã de íns à relaçã entre númer de prótns e elétrns Relacinar mviment de elétrns e de íns cm a cnduçã de crrente elétrica. Seçã 1 A reatividade ds metais e a tabela periódica Tabela Periódica

4 Para Pensar Vcê sabia que tds s elements químics cnhecids estã representads pr símbls na tabela periódica? Tds s materiais que cnhecems sã cnstituíds pels elements que estã representads na tabela periódica. O númer de elements químics é relativamente pequen, se cnsiderarms grande númer de materiais diferentes n Planeta. Cm vcê explica este fat? Na tabela periódica, s elements estã distribuíds ns períds (linhas hrizntais) em rdem crescente de seus númers atômics e, nas clunas (linhas verticais), de acrd cm suas características químicas cmuns. As características químicas semelhantes sã bservadas especialmente ns metais das clunas 1 (antiga 1A), 2 (antiga 2A) e 3 (antiga 3A), s quais sã muit reativs. Os metais apresentam algumas características físicas e químicas cmuns, n entant, também apresentam algumas que s diferenciam sensivelmente uns ds utrs. Em geral, eles sã brilhantes, cndutres de calr e de eletricidade, nã vláteis, denss, pssuem grande resistência mecânica e pdem ser transfrmads em lâminas e em fis. O metal sódi (Na), que se encntra na cluna 1 da tabela periódica, é extremamente reativ. Pr essa razã, ele nã se encntra na natureza em sua frma livre u elementar, mas cmbinad cm ametais, cm, pr exempl, na cmpsiçã de sais. Quand islad, reage espntaneamente cm xigêni d ar e vilentamente cm a água. Os utrs metais da cluna 1 têm características químicas semelhantes às d sódi. Na reaçã d sódi (Na) cm xigêni d ar (O2) é prduzid óxid de sódi (Na2O) e na reaçã d sódi (Na) cm água, hidróxid de sódi (NaOH), cmercialmente cnhecid cm sda cáustica. Essas reações pdem ser representadas pelas seguintes equações: O magnési (Mg), que está lcalizad na cluna 2 da tabela periódica, pde ser queimad em presença de

5 xigêni mlecular gass (O2) prduzind óxid de magnési (MgO), numa reaçã que libera luz intensa e calr: O alumíni, que se encntra pr sua vez na cluna 13, reage cm xigêni d ar frmand uma camada extremamente fina de óxid de alumíni (Al2O3) em sua superfície, que prtege cntra a xidaçã das camadas internas. A camada de óxid adere-se firmemente à superfície d metal e é impermeável a ar e à água. Essa é uma das razões que trnam alumíni um metal tã utilizad n mund. Em lcais muit úmids, cm em cidades à beira-mar, é metal mais adequad para grades, janelas e utrs fins, uma vez que, pr causa da camada prtetra de seu própri óxid, ele trna-se mais resistente à crrsã d que ferr, apesar de ser mais reativ d que este. Os metais em sua mairia sã reativs, send que aqueles que se encntram em um mesm grup (cluna) da tabela periódica têm prpriedades semelhantes. Pr ist, as frmas cristalinas ds metais de um mesm grup da tabela periódica sã semelhantes devid a fat de ser mesm seu númer de xidaçã. O númer de xidaçã é uma carga real para s cmpsts iônics, mas ns cmpsts mleculares é a carga que um element teria, cas suas ligações fssem rmpidas. Pr exempl, s metais de baixa densidade, dispsts nas clunas 1, 2 e 13, sã tds muit reativs e têm númers de xidaçã iguais a 1, 2 e 3, respectivamente. N centr da tabela periódica, nas clunas 3 a 10, estã s metais de transiçã que, em geral, têm mair densidade e pssuem númers de xidaçã variáveis. O ur é um ds metais mens reativs existentes, pdend permanecer indefinidamente em cntat cm ar e cm a água sem que sfra qualquer mdificaçã em suas características, tais cm brilh, resistência mecânica e à crrsã. Devid a esse fat, ur é usad na cnfecçã de jóias e na fabricaçã de micrcircuits para cmputadres, entre utras aplicações. Os metais pdem ser rdenads segund a sua reatividade cm xigêni. Nesse sentid, pdems dizer que sódi é mais reativ d que magnési, que é mais reativ d que alumíni, que pr sua vez é mais reativ d que ferr, send esse mais reativ d que ur. A rdem crescente de reatividade desses metais pderia ser indicada assim: 1.1. O Alumíni Para Pensar: Au< Fe< Al< Mg< Na. Vcê já percebeu que alumíni perde brilh e vai ficand acinzentad cm passar d temp? Vcê sabe pr que iss acntece? Vcê já bservu que atualmente na mairia das cnstruções sã clcadas janelas de alumíni em substituiçã às de ferr? As janelas de alumíni, a cntrári das de ferr, nã precisam ser pintadas. Cm vcê explica esse fat? O alumíni fi descbert em 1825 pel dinamarquês Oersted e é metal mais abundante na crsta terrestre. Seu minéri mais cmum é a bauxita (Al2O3.2H2O). O alumíni crre também em utrs minéris e em muitas pedras precisas, tais cm safira, rubi, esmeralda, água marinha, turquesa e tpázi. A btençã d alumíni é realizada pr eletrólise da bauxita, feita depis de sua calcinaçã. O prcess de eletrólise cnsiste na decmpsiçã de um material pela passagem da crrente elétrica. A eletrólise deve ser precedida pela calcinaçã da bauxita, u seja, pel seu aqueciment a temperatura elevada, que favrece a eliminaçã da água presente n cristal de óxid de alumíni. O grau de pureza d alumíni cmercializad, geralmente, é da rdem de 99,3%, mas pde atingir 99,9%. Depis d ferr, alumíni é metal mais usad n mund. Sua mair utilizaçã é na frma de esquadrias, na cnstruçã civil. Outrs uss incluem a indústria de transprtes (aviões, vagões ferrviáris, caminhões, etc), embalagens, linhas de transmissã elétrica, bens de cnsum duráveis e utrs. Os prcesss de extraçã e de purificaçã d alumíni sã cars, sbretud, pr causa d cust da energia utilizada em tais prcesss. Além diss, as fntes d alumíni, cm a de utrs metais, nã sã

6 renváveis. Assim, trna-se essencial aprveitament máxim das pssibilidades de utilizaçã e reutilizaçã d alumíni e também de utrs metais. Pr essa razã, s ambientalistas, e também muitas pessas em diverss setres da sciedade, têm se empenhad em campanhas para a reciclagem ds metais em td mund. O aprveitament pr fusã das latas de alumíni, que sã utilizadas para armazenar cervejas e refrigerantes, pde ecnmizar até 95% ds custs em energia cnsumida n prcess de extraçã e purificaçã desse metal. Atividade 1 Testand a reatividade d alumíni cm ácid clrídric. Questã preliminar Quais sã as evidências de reaçã química que vcê cnhece? Cm é que vcê distingue uma reaçã química de utr fenômen? O que vcê espera que acnteça cm alumíni em cntat cm ácid clrídric? Materiais Um tub de ensai; Uma rlha de crtiça para tub de ensai; Isqueir u fósfrs. Reagentes Ácid clrídric; Pedacinhs de alumíni (pdem ser btids de embalagens de chclates). Cm fazer Clcar n tub de ensai pedacinhs de alumíni; Cbrir s pedacinhs de alumíni cm água até uma altura de 2 cm aprximadamente; Clcar 5 gtas de ácid clrídric cncentrad; tampar cm a rlha de crtiça. Observar que acntece e antar; Verificar, utilizand uma chama, se gás que se desprende é inflamável. CUIDADO! O ácid clrídric é crrsiv e pde queimar a pele. Esse material deve ser manusead exclusivamente pel prfessr. Mexer cm fg pde ser perigs, pr ist, apenas prfessr deverá usar isqueir u s fósfrs. Questões 11. Descreva sistema inicial. 12. Discuta as bservações cm s seus clegas. Fram bservadas evidências de reaçã química? Quais? 13. O que acnteceu cm s pedacinhs de alumíni? 14. Cm ficu sistema a final d experiment? 15. Escreva a equaçã que representa a reaçã crrida nesse experiment. 16. Em que frma alumíni e hidrgêni se encntram n iníci d experiment? 17. Em que frma alumíni se encntra a final d experiment? 18. Em que frma hidrgêni se encntra a final d experiment? Cmentáris Além de reagir facilmente cm xigêni d ar, alumíni também é muit reativ em mei ácid. Nessa atividade, bservams a reaçã d alumíni cm ácid clrídric.

7 Na reaçã entre alumíni e ácid clrídric crre a xidaçã d alumíni metálic, dand rigem a ín Al3+, e também a reduçã d hidrgêni d ácid, frmand hidrgêni mlecular, que se desprende na frma de um gás inflamável. A reaçã entre alumíni e ácid clrídric pde ser representada pela seguinte equaçã. A frmaçã d gás hidrgêni, a final d prcess, pderá ser verificada, a final da reaçã, aprximandse um palit de fósfr em chama da bca d tub nde a reaçã se prcessu. Verifica-se uma pequena explsã. A intensidade dessa explsã depende da quantidade de gás hidrgêni prduzid n sistema fechad.