1. Alotropia 1.1 Introdução 1 Capítulo 1 Substâncias simples e compostas A alotropia é a propriedade que alguns elementos químicos têm de formar diferentes substâncias, de estruturas e propriedades químicas diversas. A alotropia ocorre apenas com substâncias simples, ou seja, formadas por um único elemento. As diferentes substâncias alotrópicas de um dado elemento podem diferir em relação ao número de átomos ou à estrutura. Uma das formas alotrópicas é sempre mais estável que as demais. Seguem abaixo os elementos mais conhecidos por sua alotropia. 1.2 Oxigênio O oxigênio possui duas formas alotrópicas: Gás oxigênio O gás oxigênio, O2, é incolor, inodoro, e indispensável à vida animal e às combustões. É a forma alotrópica mais estável do elemento. Gás ozônio O gás ozônio, O3, é ligeiramente azulado e tem cheiro desagradável. É responsável por reação química que absorve grande parte da radiação ultravioleta vinda do Sol. 1.3 Carbono O carbono possui três formas alotrópicas: Grafite O grafite ou grafita, Cn, mole, condutor elétrico, está presente em diversos materiais, como a fuligem e o carbono ativado. Na grafite, o carbono apresenta hibridização do tipo sp 2, com geometria triangular plana. É a forma alotrópica mais estável do carbono. Diamante O diamante, Cn, é uma forma alotrópica que está entre os mais duros materiais conhecidos. Bom isolante elétrico, apresenta hibridização do tipo sp 3 e, portanto, geometria tetraédrica, responsáveis por sua rigidez. Fulerenos Os fulerenos, sendo C60 o mais conhecido, são formas alotrópicas descobertas na década de 1980. A estrutura dos fulerenos guarda semelhança com bolas de futebol, onde os vértices dos gomos correspondem aos átomos, e as costuras correspondem às ligações químicas. Os fulerenos são substâncias moleculares, ao contrário da grafite e do diamante, e, portanto, são solúveis em solventes apolares. Possuem hibridização do tipo sp 2. Derivados dos fulerenos parecem ter bastantes aplicações em áreas distintas como física da supercondutividade, medicina e nanotecnologia.
2 2. Metais 2.1 Alumínio O alumínio (símbolo: Al) é o elemento metálico mais abundante na crosta terrestre. No entanto, é um metal presente em baixas quantidades nos minerais. A fonte comercial do alumínio é a bauxita, um óxido hidratado de fórmula Al2O3 x H2O, onde x varia até 3. No processo de obtenção do alumínio, a bauxita é purificada e desidratada, obtendo-se alumina, Al2O3. A alumina é fundida com outros minerais, o que possibilita a eletrólise. Este processo demanda muita energia, sendo extremamente vantajosa a reciclagem do alumínio. O alumínio tem como propriedades mais interessantes a baixa densidade, a grande disponibilidade e a alta resistência à corrosão. Assim, o alumínio é bastante utilizado na construção civil e, em alguns casos, em fiações aéreas de energia elétrica. Em aviões, por exemplo, o alumínio encontra-se misturado a outros elementos, como cobre e silício. 2.2 Cobre O cobre (símbolo: Cu) é um elemento estável o suficiente para ser encontrado na natureza em seu estado metálico. No entanto, sua obtenção comercial é feita a partir de seus sulfetos; em especial, da calcopirita, CuFeS2. A calcopirita é purificada, e depois oxidada, resultando no sulfeto de cobre, CuS. O CuS sofre, então, nova reação com oxigênio, chamada ustulação, para a obtenção do cobre metálico. Em ambas as oxidações, é gerado como subproduto o SO2, um óxido ácido gasoso poluente, responsável pela chuva ácida. O cobre é um excelente condutor elétrico, mas, para isso, precisa estar bastante puro. O cobre também é encontrado em diversas ligas metálicas de aplicação frequente, como veremos no último tópico desta seção. 2.3 Ferro O ferro (símbolo: Fe) é o elemento mais abundante da Terra como um todo, e o segundo elemento metálico mais encontrado na crosta. Comercialmente, é obtido a partir de seus óxidos hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4, ou Fe2O3 FeO). A pirita ou ouro de tolo (FeS2) também é abundante, mas o processo de obtenção do ferro a partir da pirita é bem mais caro. Essencialmente, o ferro é obtido pela reação do minério de ferro com monóxido de carbono (CO), gerando ferro metálico e dióxido de carbono (CO2). A cal virgem (CaO) também é usada no processo, essencialmente na eliminação de impurezas do minério, como óxidos de fósforo, silício e alumínio. O ferro obtido desse processo é chamado ferro fundido ou ferro-gusa, bastante duro e quebradiço, com 3 a 5% de carbono, que é usado em materiais que não necessitam de grande resistência, como gradis, caixas de transmissão ou blocos de motor. O ferro é o principal componente do aço, a mais importante liga metálica.
3 2.4 Ligas metálicas A maioria dos objetos metálicos que utilizamos no cotidiano não é feita de metais puros, mas de misturas de metais com outros materiais, chamadas ligas metálicas. Isto ocorre porque as propriedades das ligas metálicas podem ser bastante diferentes das propriedades dos metais. A estrutura das ligas metálicas é mais complexa que a estrutura dos metais puros, pois os raios atômicos de seus diversos componentes são diferentes. 2.5 Principais ligas Algumas das principais ligas metálicas são: Latão Liga de cobre que possui até 40% de zinco. Utilizado em tubulações e outras peças da construção civil, armas, instrumentos musicais, entre outros. Bronze Liga de cobre que possui pequena porcentagem de outros metais. O bronze de fundição, por exemplo, tem 10% de estanho e 5% de chumbo. Utilizado em peças de decoração, como estátuas e placas. Cuproníquel Liga de cobre que possui 25% de níquel. Utilizada na cunhagem de moedas. Aço Liga de ferro. Existem vários tipos de aço, cada um deles com um elemento misturado ao ferro. O tungstênio, por exemplo, dá ao aço maior dureza e resistência a altas temperaturas. Os aços mais comuns são o inoxidável (12 a 15% de crômio) e os aços com carbono (de 0,1 a 1,5% de carbono), nos quais o acréscimo do percentual de carbono aumenta a resistência do material; exemplos: o aço com 0,1% de carbono é usado na fabricação de fios; o aço com 1% de carbono é usado na fabricação de facas. Solda Liga de chumbo e estanho, de baixo ponto de fusão. 3. Outras substâncias simples 3.1 Hidrogênio O hidrogênio é o elemento mais abundante do Universo. Apesar disso, o hidrogênio é um elemento bem mais raro na Terra. Isto ocorre porque o gás hidrogênio (H2), substância simples em que ocorre, é a substância poliatômica de menor massa molecular, escapando com facilidade do campo gravitacional terrestre. O gás hidrogênio é incolor, inodoro e atóxico. Apolares e de massa reduzida, as moléculas de H2 têm baixíssima atração intermolecular: sua temperatura de fusão é de 259 C (ou 14 K) e a de ebulição, 253 C (ou 20 K). Embora seja bem menos denso que o ar, o hidrogênio é extremamente inflamável. Por este motivo, não pode ser utilizado para encher balões. Produto secundário do refino de petróleo e da indústria cloro-álcali (que efetua a eletrólise da salmoura), o gás hidrogênio pode ser obtido pela eletrólise da água onde a energia elétrica é barata.
4 As aplicações mais comuns do gás hidrogênio são: reações orgânicas, em especial as de hidrogenação catalítica de óleos vegetais; combustível de foguetes; matéria-prima na síntese de compostos como a amônia (NH3) e o metanol (CH3OH). 3.2 Oxigênio O oxigênio é o principal elemento da crosta terrestre. A substância simples mais comum que o oxigênio forma é o gás oxigênio (O2). Este gás é o segundo mais abundante da atmosfera. Acredita-se que grande parte dele tenha sido produzida pela fotossíntese de vegetais e algas, e outra parte, produzida pela ação fotoquímica da luz solar na água. Incolor e inodoro, o gás oxigênio é vital para a maior parte dos organismos vivos da Terra. Apolar, tem forças intermoleculares de baixa intensidade. Sua TF é de 218 C e sua TE é de 183 C. O gás oxigênio está presente em toda combustão como o comburente, ou seja, como a substância que alimenta a combustão. O gás oxigênio é obtido industrialmente pela destilação fracionada do ar atmosférico liquefeito. Utilizado na indústria do aço na remoção do excesso de carbono, em procedimentos médicos e na síntese de alguns compostos. 3.3 Nitrogênio O nitrogênio, embora seja um elemento relativamente raro na crosta terrestre, é o mais abundante da atmosfera. O gás nitrogênio (N2), substância simples que forma, é uma substância quase tão inerte quanto os gases nobres, devido à fortíssima tripla ligação que une os dois átomos da molécula. O gás nitrogênio só está disponível à maioria dos organismos quando está fixado, ou seja, presente em outros tipos de moléculas em que possa ser útil. Algumas bactérias são capazes de converter o N2 em nitratos, que, por sua vez, podem ser utilizados na síntese de proteínas. Relâmpagos também convertem parte do N2 em óxidos de nitrogênio, que são mais fáceis de fixar. Incolor e inodoro, o gás nitrogênio é apolar, tendo TF igual a 210 C e TE igual a 196 C. Industrialmente, o gás é obtido pela destilação fracionada do ar liquefeito. A fixação industrial do nitrogênio, para a fabricação de fertilizantes, é efetuada pela reação com o gás hidrogênio, produzindo amônia (NH3). Além da amônia, o nitrogênio é usado na síntese do ácido nítrico, e na criação de uma atmosfera inerte, como, por exemplo, no interior de embalagens de alimentos. O nitrogênio líquido é útil na conservação de material biológico em laboratórios. 3.4 Cloro O cloro é o terceiro elemento mais encontrado na hidrosfera, ou seja, na parte líquida da crosta terrestre, sendo apenas mais raro que o hidrogênio e o oxigênio. Forma o gás cloro (Cl2), um gás levemente amarelo-esverdeado, apolar, de TF igual a 101 C e TE igual a 34 C. Produzido diretamente pela eletrólise da salmoura, o gás cloro é tóxico e é um reagente extremamente forte, sendo capaz de reagir com praticamente todos os elementos, às exceções do carbono, do nitrogênio, do oxigênio e dos gases nobres.
5 O cloro é um dos reagentes industriais de mais vasta aplicação. É usado nas indústrias têxteis, de plásticos, de solventes, de papel e celulose, de pesticidas, e no tratamento de água para consumo. 4. Principais compostos inorgânicos 4.1 Ácido clorídrico O cloreto de hidrogênio, HCl, é um composto gasoso à temperatura ambiente. Sua temperatura de fusão é de 115 C e sua TE é de 85 C. Em solução aquosa, é chamado ácido clorídrico; comercialmente, é conhecido como ácido muriático. O ácido clorídrico é um líquido ligeiramente amarelado, de odor irritante e tóxico. Por ser um ácido forte, em altas concentrações, é bastante corrosivo. É obtido industrialmente por síntese direta: H2 + Cl2 2 HCl. Entre as principais aplicações do ácido clorídrico estão a limpeza de metais e mármores e a oxidação do ouro. É matéria-prima na produção de outros compostos, e o principal componente do suco gástrico. 4.2 Ácido sulfúrico O ácido sulfúrico, H2SO4, é um líquido viscoso e denso à temperatura ambiente. Tem TF igual a 10 C e TE igual a 338 C. Bom agente oxidante, é desidratante e muito corrosivo. Sua dissolução em água é altamente exotérmica, isto é, libera muito calor. Industrialmente, o ácido sulfúrico é obtido por meio de um processo dividido essencialmente em três etapas, denominado processo de contato: 1) oxidação do enxofre a 1000 C: S + O2 SO2. 2) oxidação do gás SO2 a 500 C: 2 SO2 + O2 2 SO3. 3) hidratação do gás SO3: SO3 + H2O H2SO4. O ácido sulfúrico é a substância química produzida em maior quantidade pela indústria. Utilizado em indústrias de papel, de fertilizantes, de tintas, em baterias automotivas, entre muitas outras aplicações. 4.3 Ácido nítrico Líquido volátil e incolor, o ácido nítrico, HNO3, tem TF de 42 C e TE de 86 C. Excelente agente oxidante, é capaz, na proporção de 1 : 3 em volume com ácido clorídrico, oxidar o ouro, em uma mistura chamada água régia. O ácido nítrico é produzido industrialmente a partir da amônia, pelo processo Ostwald. As reações são as seguintes: 1) 4 NH3 + 5 O2 4 NO + 6 H2O 2) 2 NO + O2 2 NO2 3) 3 NO2 + H2O 2 HNO3 + NO O NO gerado na reação 3 também é oxidado a HNO3 pelas reações 2 e 3. Por conter o grupo nitrato, o ácido nítrico é largamente utilizado na indústria de fertilizantes, de explosivos, de corantes e de medicamentos.
6 4.4 Amônia e hidróxido de amônio A amônia, NH3, é gasosa e incolor à temperatura ambiente. Tem temperatura de fusão igual a 78 C e TE igual a 34 C. Quando em solução aquosa, forma o hidróxido de amônio, NH4OH, conhecido como amoníaco. A amônia é produzida industrialmente pelo processo Haber-Bosch, a partir dos gases nitrogênio e hidrogênio. É utilizada nas indústrias de fertilizantes, fios e fibras sintéticas, pilhas e baterias, corantes, entre outras. O hidróxido de amônio é utilizado na limpeza doméstica. 4.5 Hidróxido de sódio O hidróxido de sódio, NaOH, é um sólido branco, cristalino, deliquescente (absorve água da atmosfera até se dissolver completamente) e extremamente corrosivo. Tem ponto de fusão igual a 318 C e ponto de ebulição de 1390 C. Gerado pela eletrólise da salmoura (solução aquosa de cloreto de sódio, NaCl), o hidróxido de sódio é usado na fabricação de sabão, extração de celulose, refino de petróleo e no desentupimento de tubulações. O hidróxido de sódio, por ser uma base forte, reage com o óxido ácido (SiO2) que compõe o vidro. Por este motivo, o NaOH costuma ser guardado em frascos plásticos. 4.6 Outros ácidos Outros ácidos de importância são: Ácido fluorídrico Fórmula: HF. Corrói até vidros, sendo usado para fazer gravações. Ácido sulfídrico Fórmula: H2S. Produto da decomposição de substâncias orgânicas com átomos de enxofre. É venenoso. Ácido carbônico Fórmula: H2CO3. Ácido instável, presente na água natural e nos refrigerantes, formado pela adição de CO2 em água. Ácido fosfórico Fórmula: H3PO4. Sólido. Usado na indústria de tintas e de fertilizantes. 4.7 Outras bases Outras substâncias inorgânicas básicas têm especial interesse em Química: Hidróxido de cálcio Fórmula: Ca(OH)2. Conhecida como cal hidratada. Usada na construção civil (preparação de argamassa), em branqueamento de tecidos e como desinfetante. Hidróxido de magnésio Fórmula: Mg(OH)2. Pouco solúvel. Em suspensão (mistura heterogênea de pequenas partículas) é conhecido como leite de magnésia.
7 4.8 Sais notáveis Alguns dos principais sais são: Cloreto de sódio Fórmula: NaCl. Principal sal da água do mar. Usado na indústria cloro-álcali (de produção de NaOH e compostos clorados). Nitratos Usados em fertilizantes e explosivos. O nitrato mais usado é o de sódio, NaNO3, conhecido como salitre do Chile. Por sua alta solubilidade em água, reservas de nitratos são raras. O nitrato de sódio, por exemplo, só é encontrado em quantidades significativas no deserto de Atacama, no Chile. Sulfato de cálcio Fórmula: CaSO4. O sulfato de cálcio se apresenta de duas formas diferentes: anidra, constituindo o giz escolar, e diidratada (CaSO4 2H2O), formando o gesso. Bicarbonato de sódio Fórmula: NaHCO3. Usado largamente na indústria de alimentos. É um sal básico e libera CO2 com facilidade, estando presente em extintores. Carbonato de cálcio Fórmula: CaCO3. Sal dos mármores (calcário). Usado na produção do cimento. Carbonato de sódio Fórmula: Na2CO3. Conhecido também como barrilha. Usado na fabricação de vidros. Fosfato de cálcio Fórmula: Ca3(PO4)2. Um dos componentes dos ossos. 4.9 Óxidos notáveis Alguns dos óxidos mais importantes são: Monóxido de hidrogênio Fórmula: H2O. Água. Essencial para a vida na Terra. Muitas das propriedades da água serão vistas ao longo do curso, pois esta está presente na maior parte dos processos químicos. Dióxido de carbono Fórmula: CO2. Gás carbônico. Um dos responsáveis pelo efeito estufa, junto com a água. Importante para a vida, pois é fundamental na fotossíntese. Óxido de cálcio Fórmula: CaO. Cal virgem. Utilizada na preparação de solos (correção da acidez) e na argamassa. Óxidos de nitrogênio e enxofre Fórmulas: NxOy, SxOy. Gerados como subproduto industrial ou na queima de combustíveis fósseis. Por serem óxidos ácidos, causam a chuva ácida. Peróxido de hidrogênio Fórmula: H2O2. Utilizado como antisséptico, além da indústria têxtil e madeireira.