Química Conceitual - Vol 3

www.blucher.com.br

Henrique E. Toma

Elementos Qumicos e seus Compostos

Elem

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posto

sEstrutura Atmica, Ligaes e Estereoqumica

Energia, Estados e Transformaes Qumicas

Elementos Qumicos e seus Compostos

Qumica de Coordenao, Organometlica e Catlise

Qumica Bioinorgnica e Ambiental

Nanotecnologia Molecular - Materiais e Dispositivos

3 Coleo de Qumica ConceitualHenrique Eisi Toma

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Coleo de Qumica Conceitual

1Introduo

2Elementos no metlicos e

semi-metlicos

3Elementos metlicos

4Compostos qumicos

5Conversa com o leitor

A Qumica uma cincia que permeia todas as reas do conhecimento e tem nos encantado com sua arte e magia. Ela embalou o sonho dos alquimistas na

busca da pedra losofal e do elixir da longa vida, e continua impulsionando os qumi-cos modernos na obstinada procura de novas substncias capazes de gerar riquezas

ou de combater as doenas em nosso mundo. Seu contedo tem crescido exponen-cialmente, e o enorme progresso alcanado j permite lidar diretamente com os

tomos e molculas, e at mesmo com as incrveis estruturas nanomtricas da

nanotecnologia. Por meio da qumica estamos continuamente aperfeioando nossa

capacidade de transformar e criar novas formas de matria, de explorar a dimenso do invisvel e de entender a mais sublime das invenes: a vida. Entretanto, toda

essa exploso de conhecimento parece um grande desao no ensino da qumica! Mas, felizmente os conceitos fundamentais continuam vlidos e por isso sua com-

preenso proporciona um passaporte seguro para conhecer e apreciar o maravilho-

so mundo da qumica. Esse foi o grande objetivo desta coleo de textos, dedicada especialmente a voc, que est iniciando esta importante jornada!

Qumico pela USP, doutorou-se em 1974 e Professor Titular do Instituto de Qumica da USP. Foi Chefe do Departamento de Qumica e dirige atualmente o Ncleo de Apoio Pesquisa em Nanotecnologia e Nano-cincias da USP. Publicou 350 artigos cientcos internacionais, com cerca de 6.000 citaes, e tem 20 patentes depositadas. Orientou 60 teses de doutorado e recebeu 20 prmios incluindo o TWAS Chemistry Prize, Fritz-Feigl, Guggenheim e a Comenda Gr-Cruz da Ordem Nacional do Mrito Cientco da Presidncia da Repblica. membro da Academia Brasileira de Cincias, da Academia de Cincias do Estado de So Paulo, da Academia de Cincias do Mundo em Desenvolvimento (TWAS), e da Inter-national Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC).

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1Contedo

COLEO de QUMICA CONCEITUALvolume trs

ELEMENTOS QUMICOSE SEUS COMPOSTOS

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2 Elementos qumicos e seus compostos

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3Contedo

ELEMENTOS QUMICOSE SEUS COMPOSTOS

HENRIQUE E. TOMA

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Todos os direitos reservados a Editora Edgard Blcher Ltda. ndice para catlogo sistemtico:1. Qumica

proibida a reproduo total ou parcial por quaisquer meios, sem autorizao escrita da Editora

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Segundo Novo Acordo Ortogrfico, conforme 5. ed. do Vocabulrio Ortogrfico da Lngua Portuguesa,Academia Brasileira de Letras, maro de 2009.

Toma, Henrique Eisi Elementos qumicos e seus compostos / Henrique Eisi Toma. - So Paulo: Blucher, 2012. Coleo de Qumica conceitual, v. 3).

ISBN 978-85-212-0733-7

1. Qumica 2. Elementos qumicos 3. Tabela Peridica I. Ttulo II. Srie

12-0447 CDD 540

Coleo de Qumica Conceitual volume trs

Elementos qumicos e seus compostos

2013 Henrique Eisi Toma

Editora Edgard Blcher Ltda.

FICHA CATALOGRFICA

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5Contedo

minha famlia,

Cris, Henry e Gustavo, e

ao saudoso Professor Ernesto Giesbrecht, quem me introduziu ao mundo da qumica inorgnica.

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7Contedo

PREFCIO

Neste conjunto de textos que compem a coleo Qumica Conceitual, nossa maior preocupao foi apresentar um contedo moderno, representativo do mundo da Qumica, sem fronteiras. O pblico-alvo so os qumicos e no qu-micos e, por isso, o ponto de partida no pressupe qual-quer pr-requisito cognitivo. Na srie, rompemos, com as divises clssicas de Qumica Inorgnica, Orgnica e Fsi-co-qumica, e procuramos abrir espao para tpicos que no podem deixar de ser ensinados na atualidade, como a questo dos materiais, da energia, da nanotecnologia, dos aspectos ambientais e da sustentabilidade. Aspectos bsi-cos da Qumica Orgnica tradicional foram enquadrados de forma harmoniosa na Qumica dos Elementos e Compos-tos, para que o leitor perceba as particularidades e seme-lhanas de forma global, na Tabela Peridica.

Com o avano e uso extensivo dos recursos computa-cionais na Qumica, a ferramenta terica j no pode mais ser ignorada. Apesar de a Qumica terica ser baseada na mecnica quntica, devemos aceitar o desafi o de tentar torn-la acessvel pedagogicamente, em vez de simples-mente expurg-la, em razo de sua complexidade. Certa-mente, muito ter de ser feito nessa rea, para que o en-

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sino de Qumica entre em sintonia com a modernidade e possa usufruir dos seus benefcios.

Alguns dos sistemas abordados no texto podem, inicial-mente, parecer demasiadamente complexos. As estruturas de polmeros, medicamentos e materiais ultrapassam nossa capacidade de memorizao e, de fato, este no foi o nosso objetivo. A presena dessas estruturas no texto contribuir para que o leitor aprenda a analisar o fato complexo pelas suas partes simples, e perceba a identidade qumica dos materiais constituintes que esto ao redor.

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9Contedo

CONTEDO

1 INTRODUO, 13

2 ELEMENTOS NO METLICOS E SEMI-METLICOS, 17 Gases Nobres: Os Elementos Pouco Reativos, 17 Usos e Propriedades dos Gases Nobres, 18 Elementos Biatmicos, 19 Hidrognio, H2, 19 Obteno, 20 Propriedades e aplicaes, 22 Halognios, 24 Flor, 24 Cloro, Bromo e Iodo, 26 Obteno, 27 Usos do cloro, 28 Oxignio e Nitrognio Molecular, 30 Obteno, 33 Aplicaes, 34 Enxofre, Selnio e Telrio, 35 Enxofre, 35 Obteno e usos, 36 Aplicaes, 37 Selnio e Telrio, 38 Aplicaes, 38 Fsforo, 39 Ocorrncia, obteno e usos, 40 Arsnio, Antimnio e Bismuto, 41 Carbono, Silcio, Germnio e Estanho, 41 Diamante, 41 Grafi te, 43 Fullerenos, 44 Nanotubos de carbono, 46 Silcio, 49 Obteno e usos, 50 Germnio, 52 Estanho, 53 Boro, 54 Obteno e ocorrncia, 55

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3 ELEMENTOS METLICOS, 57 Obteno e aplicaes dos metais, 62 Decomposio trmica de xidos, 63 Reduo com carvo ou CO, 63 Metalotermia, 67 Mtodos eletroqumicos, 69

4 COMPOSTOS QUMICOS, 79 Compostos de Hidrognio, 79 Hidretos Inicos, 80 Hidretos de Metais de Transio, 80 Hidretos de Elementos No Metlicos, 81 Hidretos Covalentes, 83 Haletos de hidrognio, 83 gua e hidretos dos calcogneos, 85 Amnia, fosfina, arsina e estibina, 86 Sntese da amnia processo Haber-Bosch, 89 Hidrazina e hidroxilamina, 92 Hidretos de carbono, silcio e germnio, 93 Hidrocarbonetos, 94 Alcanos, 96 Alcenos ou olefinas, 98 Alcinos, 99 Hidrocarbonetos cclicos, 99 Hidrocarbonetos aromticos, 100 Propriedades qumicas dos hidrocarbonetos, 101 O petrleo e a petroqumica, 103 Aminas Alifticas e Aromticas, 109 Hidretos de Boro, 110 Haletos, 112 Haletos de elementos metlicos, 112 Haletos covalentes, 112 Haletos dos gases nobres, 113 Inter-halognios, 113 Haletos dos calcognios, 115 Haletos de N, P, As e Sb, 116 Haletos de C, Si, Ge e Sn, 118 Haletos mistos, 119 Haletos de B, Al, Ga e In, 121 xidos Caractersticas Gerais, 123 Caractersticas estruturais dos xidos covalentes, 125 Fora dos oxicidos, 125 Estrutura, Preparao e Propriedades dos xidos e

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11Contedo

Oxicompostos, 127 xidos e oxicidos dos halognios, 127 xidos e oxicidos dos calcognios, 129 cido sulfrico, 131 Perxidos, 131 xidos e oxicidos de nitrognio, 132 xidos de carbono, 135 CO2, 136 Oxicompostos orgnicos, 140 Alcois, 140 Etanol, 141 Polialcois, 142 teres, 142 Aldedos e Cetonas, 143 cidos Carboxlicos, 144 steres, 146 Amidas, 147 xidos e Oxicidos de Fsforo, 147 Polifosfatos, 149 xido e Oxicidos de Boro, 150 xido de Silcio, 151 Silicatos, 152 Argilas, 155 Cimento, 155 Vidros, 156

5 CONVERSA COM O LEITOR, 159 Questes provocativas, 160

Apndice Tabelas, 167

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13Introduo

CAPTULO 1INTRODUO

Os elementos qumicos, na forma livre ou combinada, com-pem o mundo em que vivemos. Entretanto, na escala uni-versal, o hidrognio, o elemento mais simples, o grande formador de quase tudo que visvel, compondo as estrelas e alimentando o processo de fuso nuclear que as torna radiantes. Por esse processo, elementos mais pesados vo sendo gradualmente formados nas estrelas, at chegar aos elementos metlicos mais pesados, como o ferro, quando ento um novo ciclo tem incio, anunciando a morte estelar. Em uma sucesso de eventos, os fragmentos de matria das exploses estelares acabam sendo condensados, for-mando os corpos celestes, como os planetas.

A composio da crosta terrestre, mostrada na Figura 1.1 um refl exo da gnese dos elementos. Por essa razo, com exceo dos elementos gasosos H, He, Ne e Ar, que so mais abundantes no Sol, existe alguma semelhana na composio elementar dos corpos que compem o sistema planetrio, tomando como exemplo a Terra, o Sol, a Lua e os asteroides. Verifi ca-se a predominncia dos elemen-tos mais leves (do primeiro ao quarto perodo da tabela peri dica), bem como de elementos de nmero atmico par. Entre os elementos de transio, em todo o sistema

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planetrio, o ferro predomina. Os elementos ltio e berlio, de nmeros atmicos 3 e 5, respectivamente, so sempre pouco abundantes.

Na descrio da qumica dos elementos cabe uma aten-o especial sua disponibilidade na natureza, pois isso importante para a explorao racional dos recursos mine-rais. Os aspectos estruturais e energticos dos elementos e seus compostos tambm devem ser levados em conta, visto que fornecem a base para discusso das propriedades qu-micas e fsicas.

Outro aspecto relevante, nem sempre explorado na Ta-bela Peridica, a questo da atomicidade dos elementos, ou seja, do nmero de tomos que normalmente participam da composio das molculas ou espcies mais estveis (Figura 1.2). A atomicidade cresce no sentido da diago-nal da Tabela Peridica. De fato, essa a ordem natural da complexidade molecular, e a abordagem em diagonal foi adotada como linha mestra neste livro, para valorizar

Figura 1.1 Distribuio dos elementos na crosta terrestre, tendo o silcio como referncia (linha tracejada representando um milho de tomos), mostrando, na faixa superior, os elementos mais abundantes que formam as rochas, e, na faixa inferior, os metais nobres, mais raros, considerados estratgicos em catlise.

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15Introduo

a inter-relao existente entre os elementos, misturando famlias e perodos.

Sendo assim, iniciando com a famlia dos gases nobres (famlia 18), a atomicidade igual 1, ou seja, os elemen-tos se apresentam na forma monoatmica. Isso se deve ao fato de que os gases nobres apresentam configurao de camada completa, com dois (He) ou oito eltrons (Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) no nvel de valncia.

Percorrendo as famlias no sentido da coluna 17 at 14, o nmero de eltrons da camada de valncia diminui sucessivamente de 7 para 4, enquanto os tomos tendem a formar um maior nmero de ligaes, aumentando sua atomicidade at completarem as respectivas camadas de valncia. Dessa forma, depois dos elementos monoatmi-cos da famlia 18, os elementos qumicos passam a formar molculas biatmicas (H2, F2, Cl2, Br2, I2, O2 e N2) e, avan-ando progressivamente no sentido da diagonal, surgem molculas poliatmicas de atomicidade crescente, como P4, S8, , C60.

Indo da famlia 13 at a famlia 1, o nmero de eltrons da camada de valncia fica mais reduzido e a busca da esta-bilidade leva a uma ampliao do compartilhamento de el-trons entre os tomos vizinhos, dando origem a estruturas estendidas infinitamente. Estas podem apresentar ligaes localizadas, dando origem aos slidos covalentes, como dia-mante, grafite, boro, silcio e germnio, ou podem apresen-tar ligaes deslocalizadas, formando os slidos metlicos, como os metais de transio, alcalinoterrosos, alcalinos e terras raras (lantandios e actindios).

Ao longo de cada famlia, o carter metlico cresce com o nmero atmico, visto que os eltrons externos encon-tram-se mais disponveis, ou seja, podem ser removidos com maior facilidade. Por outro lado, a expanso da cama-da de valncia por meio da incluso dos orbitais d favore-cer o compartilhamento mltiplo de eltrons entre vrios tomos.

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Figura 1.2Evoluo da atomicidade ao longo da tabela peridica: na extrema direita, esto os gases nobres, formados por unidades monoatmicas; a seguir, esto o nitrognio, o oxignio e os halognios, que formam molculas biatmicas; e, na sequncia, o fsforo e o enxofre, que formam unidades moleculares do tipo P4 e S8, respectivamente, e, depois, os elementos catenados (C, B, Si, Ge, As), seguidos pelo bloco dos metais, com suas redes atmicas infinitas.

Metais

Cadeiasinnitas

Molculasdiscretas

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