Aula 08 - SQBFsqbf.ufabc.edu.br/disciplinas/QEl/aula08.pdf · Ocorrência na Natureza • Gás diatômico (N 2) •78 % da atmosfera, mas é o 33º em abundância relativa na crosta

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  Configuração Eletrônica e Estados de Oxidação

Configuração Eletrônica Estados Oxidação

N [He] 2s2 2p3 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5

P [Ne] 3s2 3p3 -3, 0, 1, 3, 5

As [Ar] 3d10 4s2 4p3 -3, 0, 3, 5

Sb [Kr] 4d10 5s2 5p3 0, 3, 5

Bi [Xe] 4f 14 5d10 6s2 6p3 0, 3, 5

Propriedades Atômicas

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Antimônio

Nitrogênio

Bismuto

Fósforo

Arsênio

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Portanto a condutividade diminui do As p/ Bi Tendência oposta na condutividade

Sugere caráter molecular mais pronunciado no estado sólido

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Ocorrência na Natureza

•  Gás diatômico (N2)

• 78 % da atmosfera, mas é o 33º em abundância relativa na crosta

terrestre

•  Possui ligação tripla NN

•  Energia de dissociação altíssima (941,4 kJ/mol) molécula muito

estável gás pouco reativo (utilizado c/o atmosfera inerte)

•  ocorre também na forma de nitrato de sódio (por exemplo o salitre do

Chile)

•  está presente nas proteínas (comp. Média: 50% C, 25% O, 17%N,

7%H, 0,5%S, 0,5%P em peso)

•  Lavoisier chamou de azoto (sem vida) por ser praticamente inerte

Nitrogênio

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•  É o 11o elemento mais abundante na crosta terrestre

•  Existe em três formas alotrópicas:

P4 branco muito reativo (inflama em contato com o ar)

P4 vermelho pouco reativo (inflamado por atrito ou

aquecimento)

P negro não reativo (inerte)

P4 branco

P4 vermelho (sólido polimérico)

Fósforo


P4 preto

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Fósforo


•  Fluoroapatita – 3Ca3(PO4)2.CaF2

•  Hidroxiapatita – [3Ca3(PO4)2.Ca(OH)2]

•  Cloroapatita – [3Ca3(PO4)2.CaCl2]

http://tasaclips.com/photos.html

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As2S3 Sb2S3 As4S4

Estibina Realgar Ouro-pigmento ou Orpimento

Arsênio, Antimônio e Bismuto


• São pouco comuns, mas bem conhecidos (desde a antiguidade)

• Podem ser encontrados em várias formas alotrópicas

•  Principal fonte são os sulfetos, que ocorrem combinados com outros minérios

Bismutinita – Bi2S3 e Bismita – Bi2O3

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Configuração Eletrônica

  Elementos com 5 elétrons no nível mais externo

  É possível que os elementos adquiram 3 elétrons e passem a apresentar configuração eletrônica de gás nobre (N-3, P-3)

  Possuem no de oxidação máximo de 5 (quando os 5 elétrons participam de ligações)

  A tendência do par eletrônico s não participar de ligações aumenta com o aumento do número atômico efeito do par inerte. Nesses casos só os elétrons p participam e os compostos são trivalentes.

Conf. Eletr. de elementos do Grupo 15

ns2 np3


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Configuração eletrônica do fósforo 3s 3p 3d

P no estado fundamental

P no estado excitado

Hibridização sp3d

P [Ne] 3s2 3p3 3d0

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  O N ([He] 2s2 2p3) pode formar ligações múltiplas fortes p - p produzindo uma série de compostos que não têm análogos nos outros elementos (N2 = 994 KJ.mol-1).

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Propriedades Químicas

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Hidretos

  Todos os elementos do grupo 15 formam hidretos voláteis de fórmula MH3

  A facilidade de formação, a tendência de utilizar o par de elétrons isolados na formação de ligações coordenadas e a facilidade de substituição de hidrogênio por outros grupos diminuem da NH3 para o BiH3

NH3 – amônia

PH3 – fosfina

AsH3 – arsina

SbH3 – estibina

BiH3 – bismutina (pouco estável)

Propriedades Químicas

Tóxicos

107o

 Agentes redutores fortes

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Óxidos e Oxi-ácidos

Nitrogênio

Demais elementos

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Trihaletos e Pentahaletos  O nitrogênio não forma pentahaletos pela inexistência de orbitais d disponíveis em seus átomos. Forma trihaleto (mais estável é o NF3)

  Os demais elementos formam pentahaletos do tipo MX5 e trihaletos do tipo MX3

  os trihaletos são covalentes com exceção do BiF3 que é iônico e o SbF3 que possui caráter intermediário

Bipirâmide trigonal

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Ou PCl5

Hidrólise:

PCl5 está no limite iônico-covalente. Nos estados gasoso e líquido é covalente e no estado sólido é iônico

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•  Indústria: Liquefação e destilação fracionada do ar p.e. (N2) = - 196 oC

p.e. (Ar) = - 186 oC

p.e. (O2) = - 183 oC •  No laboratório

Métodos de Obtenção

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• é usado na fabricação de explosivos

pólvora

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tos Fertilizantes (fixação de nitrogênio)

Fertilizantes possuem no mínimo 3 componentes básicos:

Nitrogênio normalmente (NH4)2SO4 promove crescimento

de folhas

Fósforo Promotor de crescimento de raízes

-  superfosfato Ca3(PO4)2 tratado com H2SO4 conc.

-  superfosfato triplo Ca3(PO4)2 tratado com H3PO4 conc.

Potássio promotor de floração K2SO4

Principais Compostos

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Amônia

• Gás tóxico, condensa a -33 oC (líquido incolor)

• Muito solúvel em água devido a formação de ligações de hidrogênio

•  Os elétrons desemparelhados do orbital p do Nitrogênio formam

ligações com três átomos de outros elementos produzindo moléculas

com arranjo eletrônico tetraédrico, mas geometria trigonal piramidal.

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H +

NH4+ (cátion Amônio)

•  o Nitrogênio só pode ter 8 elétrons no segundo nível eletrônico, assim, o par de elétrons não ligantes pode ser coordenado a um átomo receptor conferindo ao N o número de coordenação máximo 4 (hibridização sp3)

Amônia

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•  NH3 pode coordenar-se à íons

[Co(NH3)6]3+

Amônia

[Cu(NH3)4]2+

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Fritz Haber Nobel de Química em 1918

Carl Bosch Nobel de Química em 1931

PROCESSO HABER-BOSCH

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•  À medida que a pressão aumenta, a quantidade de amônia presente no equilíbrio aumenta.

•  À medida que a temperatura diminui, a quantidade de amônia no equilíbrio aumenta.

Reação exotérmica

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Na prática as condições são: 200 atm de pressão, temperatura entre 380-450 oC e catalisador de “ferro ativado”

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tos Magnetitas (ferro) contendo:

•  K2O •  CaO •  MgO •  Al2O3 •  SiO2 •  Traços de TiO2, ZrO2 e V2O5

Mais porosos Mais ativos em temperaturas baixas

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• Alta pressão: desloca o equilíbrio para menor volume. •  Retirada da amônia formada •  Alta temperatura

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No Brasil: 1952: 1ª Unidade de amônia sintética (foi posteriormente desativada)

Santo André - SP RHODIA

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Amônia

16.000.000.000 Kg NH3/ano EUA (maior parte é utilizado como

fertilizante)

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Amônia

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Hidrazina •  tem semelhanças estruturais e químicas com o peróxido de hidrogênio.

•  É um forte redutor em meio básico e um redutor moderado em meio ácido ou neutro. Ex.: reduz I2 O2 e Cu2+

•  Na indústria é utilizada no tratamento de água para alimentação de caldeiras para prevenir a oxidação das mesmas (remove o O2 dissolvido na água)

N2H4 (aq) + O2 (g) N2 (g) + 2 H2O (l) H = -621 kJmol-1

•  é uma base mais fraca que a amônia

N2H4 (aq) + HX N2H5+ + X-

ou N2H4 (aq) + 2HX N2H6

+2 + 2X-


  Utilizada na fabricação de propelentes, combustível de foguetes, fabricação de espelhos de prata e cobre

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Azidas ou Azotetos •  azida de sódio pode ser obtida:

•  azida de chumbo [(Pb(N3)2] é usada como detonador de explosivos

•  triazina cianídrica (ou triazoteto cianúrico) é um poderoso explosivo

Utilizado em air bags

Detonam por impacto e liberam N2


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Óxidos e oxiácidos do nitrogênio •  Todos os oxiácidos do nitrogênio possuem ligações múltiplas p - p.

•  O mesmo não ocorre com os demais elementos do grupo

Fórmula No oxid. Nome

N2O +1 Óxido nitroso

NO +2 Óxido nítrico

N2O3 +3 Sesquióxido de nitrogênio

NO2N2O4 +4 Dióxido de Nitrogênio (tetróxido de dinitrogênio)

N2O5, NO3- +5 Pentóxido de dinitrogênio e ânion nitrato


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Óxido nitroso ou óxido de dinitrogênio (N2O) •  razoavelmente estável, obtido pelo aquecimento cuidadoso do nitrato de amônio

•  foi usado como anestésico (gás hilariante)

•  é utilizado na produção de azidas

•  é uma molécula linear e um híbrido de ressonância

•  como é solúvel em gorduras, é empregado como espumante e propelente em sprays de chantilly.

•  utilizado para elevar a potência de motores (conhecido com NOs) com poder comburente, cuja aplicação em motores à combustão interna, tem por objetivo aumentar a capacidade de queima na câmara de combustão e consequentemente a energia produzida.

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•  número de oxidação +2

•  é um óxido neutro e incolor

•  no laboratório é obtido pela reação de ácido nítrico com metais

Óxido de nitrogênio ou óxido nítrico (NO)

•  industrialmente obtido a partir da amônia (1000 oC, Pt)- processo Ostwald

•  o N2 da atm é convertido em NO nos motores de aviões. Este, por sua vez, é convertido em HNO2 na presença de água e contribui para a chuva ácida.

•  Reage com o O3 da camada de ozônio:

NO (g) + O3 (g) NO2 (g) + O2 (g)

•  Em nosso organismo, em pequenas quantidades, ajuda a dilatar os vasos sanguíneos.

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•  no estado gasoso está em equilíbrio com seu dímero N2O4

Dióxido de nitrogênio (NO2)

•  é um gás castanho, sufocante e tóxico.

marrom incolor

Paramagnético Diamagnético

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• é produzido pela oxidação de NO na presença de O2

•  no laboratório pode ser obtido pelo aquecimento de Pb(NO3)2

•  em água forma o ácido nítrico e o óxido de nitrogênio

3 NO2 (g) + H2O (l) 2 HNO3 (aq) + NO (g)

Dióxido de nitrogênio (NO2)

•  N2O4 é anidrido misto

N2O4 (g) + H2O (l) HNO3 (aq) + HNO2 (aq)

•  N2O4 e NO2 são agentes oxidantes fortes

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Ácido Nítrico

•  é um agente oxidante forte quando concentrado e a quente. O nitrogênio tem número de oxidação +5.

•  industrialmente é produzido pelo processo de Ostwald


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•  o HNO3 na presença de H2SO4 produz íon nitrônio (NO2+) que é

usado na nitração de compostos aromáticos

•  o ânion nitrato está em ressonância

•  mistura de HCl c/ HNO3 forma-se a água régia (do latim: capacidade de dissolver metais nobres como ouro e platina)

25% 75%

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Obtido a partir da Apatita (minérios de fosfato de cálcio)

a maior parte do fósforo é usado na fabricação de H3PO4

• é componente fundamental dos fertilizantes

• é importante na formação dos ácidos nucléicos (grupamento

fosfato) e dos ossos (Ca3(PO4)2) e dos fluidos biológicos (fosfatos).

• é empregado também na produção de P4S10 (fósforos de

segurança) e POCl3


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Principais usos dos fosfatos   70% fertilizantes (superfosfatos, superfosfato triplo, fosfato de amônio)

  13% detergentes ( fosfato de sódio e pirofosfato de sódio)

  8% rações animais

  3% indústria farmacêutica

  2% tratamento de água dura

  1% proteção de metais

  0,7% fabricação de organofosforados ( inseticidas)

  2,3% outros

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É o anidrido do ácido fosfórico.

P4O6 (s) + 6 H2O (l) 4 H3PO3

(aq)

P4O10 (s) + 6 H2O (l) 4 H3PO4

(aq)

Trióxido de fósforo

É dimérico e por isso é representado por P4O6 e não P2O3

É o anidrido do ácido fosforoso

É um sólido branco e mole (P.F. 24 oC) que queima ao ar e forma P4O10

Pentóxido de fósforo

É o óxido mais importante desse elemento

É um dímero de fórmula P4O10 e não P2O5

É usado como agente secante http://www.youtube.com/watch?v=Oke8GinWDG8&feature=PlayList&p=12000EE9CF0D8808&index=26

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•  Suprimento de energia para células

ATP + H2O (l) ADP + HPO42-

(aq) + H+ (aq) G = - 30 KJ.mol-1

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tos •  Existem duas variedades alotrópicas de cada um

-  uma tetraédrica (As4 e Sb4 ) semelhante ao Pbranco

-  uma forma metálica muito menos reativa


• Existe na forma metálica (átomos grandes, ponto de ebulição baixo)

Empregado como liga em detectores de incêndio.

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•  podem ser obtidos de seus minerais

•  ou como subprodutos do processamento de minerais de outros metais:

As – subproduto da extração de minérios de Ni, Co e Fe

Sb - subproduto da extração de minérios de Zn

Bi - subproduto da extração de minérios de Pb (PbS)

São facilmente reduzidos por aquecimento com carvão


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A estabilidade dos pentahaletos dimuniu conforme desce no grupo

PF5 PCl5 PBr5 PI5 AsF5 (AsCl5) – reativo e instável SbF5 SbCl5 BiF5 muito reativo – reage explosivamente com água

Formam menos óxidos que o nitrogênio e fósforo, provavelmente devido a incapacidade de formar ligações duplas

As4O6 (III) Sb4O6 (III) Bi2O3 (iônico) (SbO2)n (III e V)

As4O10 (V) Sb4O10 (V)

Geralmente os estados de oxidação mais elevados são mais ácidos

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Principais usos

• é utilizado c/o dopante em circuitos integrados e lasers •  Apesar de ser venenoso é essencial para o crescimento das galinhas, cabras, porcos

•  Em tecnologias de semicondutores para produzir detectores de infravermelho e diodos emissores de luz • O óxido é utilizado c/o retardante de chama

• Compostos de Bi(V) são bons ag. Oxidantes • Medicina por exemplo o seu óxido é usado em pomadas contra hemorróidas

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