DETERMINAÇÃO DOS METAIS DO 3º GRUPO DE CÁTIONS

DETERMINAÇÃO DOS METAIS DO 3º GRUPO DE CÁTIONS

(Parte 1 de 3)

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1 INTRODUÇÃO

Propriedades físicas dos metais do 3º grupo de cátions: Fe+2 (ferroso); Fe+3 (férrico); Cr+3 (cromo); Al+3 (alumínio); Mn+2 (manganês).

Ferro:

Este metal de transição é encontrado no grupo 8B da Classificação Periódica dos Elementos.

Símbolo: Fe Número atômico: 26

Peso atômico: 55,847 Elétrons: [Ar]4s23d6

História:

Do latim ferrum. O ferro tem sido historicamente importante, e um período da história recebeu o nome de Idade do ferro.

Disponibilidade:

O elemento é relativamente abundante no Universo. Encontrado no Sol e em muitas outras estrelas em consideráveis quantidades. É o principal componente da classe de meteoritos chamada siderito.

Na Terra, é o quarto elemento mais abundante, em peso, na sua crosta (no Universo, o nono). Supõe-se que o núcleo da Terra seja formado principalmente por ferro. O mineral mais comum é a hematita (sesquióxido de ferro).

É encontrado na natureza fazendo parte da composição de diversos minerais, entre eles muitos óxidos, como o FeO (óxido de ferro II, ou óxido ferroso) ou como Fe2O3 (óxido de ferro III, ou óxido férrico). Os números que acompanham o íon ferro diz respeito aos estados de oxidação apresentados pelo ferro, que são +2 e +3, e é raramente encontrado livre. Para obter-se ferro no estado elementar, os óxidos são reduzidos com carbono, e imediatamente são submetidos a um processo de refinação para retirar as impurezas presentes.

Produção:

O processo básico é a redução do óxido com carbono e calcário.

Propriedades:

No estado puro, é muito reativo e é rapidamente corroído, principalmente no ar úmido ou em altas temperaturas. É duro, quebradiço, moderadamente fundível.

Tem quatro variedades alotrópicas chamadas alfa, beta, gama e delta, com temperaturas de transição a 770, 912 e 1390°C.

O magnetismo da variedade alfa é perdido quando se transforma em beta (na realidade, a variedade beta não é um rearranjo cristalino mas, uma mudança no arranjo de rotação dos elétrons).

Grandeza

Valor

Unidade

Massa específica do sólido

7874

kg/m3

Ponto de fusão

1538

°C

Calor de fusão

13,8

kJ/mol

Ponto de ebulição

2861

°C

Calor de vaporização

345

kJ/mol

Eletronegatividade

1,83

Pauling

Estados de oxidação

+6+3+2 0-2

 

Resistividade elétrica

9,7

10-8 W m

Condutividade térmica

80

W/(m°C)

Calor específico

449

J/(kg°C)

Coeficiente de expansão térmica

1,18

10-5 (1/°C)

Coeficiente de Poisson

0,29

 

Módulo de elasticidade

211

GPa

Estrutura cristalina

Cúbica de corpo centrado

Tabela 1: Propriedades físicas e químicas do Fe

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ferro

Aplicações:

É um componente essencial para a vida vegetal e animal. A hemoglobina o contém.

Os estados de oxidação mais comuns são +2 e +3. Os óxidos de ferro mais conhecidos são o óxido de ferro II, FeO, o óxido de ferro III, Fe2O3, e o óxido misto Fe3O4. Forma numerosos sais e complexos com estes mesmos estados de oxidação. O hexacianoferrato II de ferro III, usado em pinturas, é conhecido como azul da Prússia ou azul de Turnbull.

Na forma pura, praticamente não é usado. Entretanto, é desnecessário mencionar as inúmeras aplicações do aço, liga da qual é o principal componente.O aço é basicamente a liga de ferro e carbono. Elementos outros adicionados, como enxofre, silício, manganês, fósforo, níquel, cromo, vanádio, em diferentes proporções e combinações, produzem aços de diferentes propriedades mecânicas, térmicas, químicas, magnéticas e o resultado é uma variedade de tipos para as mais diversas aplicações.

Fito-toxidade:

O número elevado de enzimas e compostos que contém Fe nos vegetais, permite perceber a variedade de papeis que o elemento desempenha na vida da planta em muitas partes do metabolismo.

Os sintomas de toxidez somente se manifestam quando a falta for extrema ou quando o nível for excessivo.

Sintomas de deficiência:

  1. visíveis;

    1. clorose das folhas novas, seguida de branqueamento;

    2. diminuição no crescimento e na frutificação;

  2. químicos;

    1. menor teor de clorofila, elevada produção de pigmentos vermelhos e amarelos;

    2. alta relação K/Ca;

    3. alto teor de ácido cítrico.

Os sintomas de excesso são manchas necróticas nas folhas.

Pode haver situações, entretanto, em que o crescimento e a produção são limitados sem que a sintomatologia típica se manifeste. Trata-se então de toxidez escondida.

Cromo:

É um metal encontrado no grupo 6 ( 6B ) da Classificação Periódica dos Elementos.

Símbolo: Cr Número atômico: 24

Peso atômico: 51,9961 Elétrons: [Ar]4s13d5

História:

Do grego chroma (cor). Vauquelin descobriu em 1797 e, no ano seguinte, isolou o metal.

Disponibilidade:

O principal mineral é a cromita (cromato de ferro, FeCr2O4).

Produção:

Da cromita é obtido pela redução com alumínio e eletrólise.

Propriedades:

Tem aparência de aço, é reluzente e pode ser finamente polido.

Tem pouca ductilidade e não é usado como metal estrutural. É resistente à oxidação e não reage com ácido nítrico. Mas é atacado pelo ácido clorídrico e, lentamente, pelo sulfúrico. Está sujeito à corrosão intergranular em temperaturas acima de 815ºC.

A superfície altamente polida não atrai água ou óleo por capilaridade e mancais revestidos de cromo podem rodar sem lubrificação.

Seus compostos são tóxicos e devem ser manuseados com os devidos cuidados.

Grandeza

Valor

Unidade

Massa específica do sólido

7140

kg/m3

Ponto de fusão

1907

°C

Calor de fusão

20,5

kJ/mol

Ponto de ebulição

2671

°C

Calor de vaporização

350

kJ/mol

Eletronegatividade

1,66

Pauling

Estados de oxidação

+6+3+2 0

Resistividade elétrica

12,7

10-8 W m

Condutividade térmica

94

W/(m°C)

Calor específico

448

J/(kg°C)

Coeficiente de expansão térmica

0,49

10-5 (1/°C)

Coeficiente de Poisson

0,21

Módulo de elasticidade

279

GPa

Estrutura cristalina

cúbica de corpo centrado

Tabela 2: Propriedades físicas e químicas do Cr

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Cromo

Compostos:

Todos os compostos são coloridos. Os mais importantes são os cromatos de sódio e potássio, o bicromato de potássio e o alume (sulfato duplo de um metal trivalente).

O bicromato é usado como agente oxidante em análises e também para colorir o couro.

Cromato de chumbo é amarelo e é usado como pigmento.

Compostos de cromo também são usados como fixadores de cor na indústria têxtil e para anodizar o alumínio.

Aplicações:

Usado para endurecer o aço, na produção de aços inoxidáveis e em muitas outras ligas (para resistências elétricas, etc).

Como camada superficial, produz uma superfície dura, de bom aspecto e resistente à corrosão.

Revestimento de peças decorativas.

Ao vidro, dá uma cor verde-esmeralda. Também usado como catalisador.

Fito-toxidade:

O efeito tóxico do Cr, observado em diferentes espécies quando a solução nutritiva possuía mais de 5 ppm se mostra no mau desenvolvimento das raízes, no estrangulamento e na coloração vermelho pardacenta das folhas.

Alumínio:

Símbolo: Al Número atômico: 13

Peso atômico: 26,98154 Elétrons: [Ne]3s23p1

História:

O nome é derivado de alume, que é um sulfato duplo de um metal trivalente (alumínio, cromo, ferro) e de um metal alcalino. Os antigos gregos e romanos usavam o alume como adstringente e fixador para tinturaria. O isolamento do elemento é atribuído a Wohler em 1827.

Disponibilidade:

É o metal mais abundante na crosta terrestre, representando cerca de 8,1% (como elemento, é o terceiro mais abundante). Não é encontrado puro. Alguns minerais são bauxita (hidróxidos de alumínio com argilas), criolita (fluoreto de alumínio e sódio), granitos, etc.

Produção:

Na figura abaixo, o esquema simplificado da produção. A bauxita é purificada pela reação com hidróxido de sódio, resultando em hidróxido de alumínio. O aquecimento produz o óxido de alumínio, que sofre redução eletrolítica para produzir o alumínio puro. A adição da criolita serve para reduzir o ponto de fusão. Em média, duas toneladas de bauxita resultam em uma tonelada de óxido de alumínio e duas deste, em uma de alumínio. A cuba eletrolítica é normalmente de aço com revestimento interno de grafite, que atua como catodo. O anodo também é de grafite. Estima-se que anualmente são produzidas cerca de 20 milhões de toneladas.

Propriedades:

O alumínio puro é um metal de cor branca prateada, leve, não magnético e não produtor de centelhas. É um dos metais mais maleáveis e dúcteis. Bom condutor de calor.

No estado puro, é mole e pouco resistente, mas suas propriedades mecânicas são significativamente melhoradas se ligado com pequenas proporções de cobre, magnésio, manganês, silício ou outros elementos.

Grandeza

Valor

Unidade

Massa específica do sólido

2700

kg/m3

Ponto de fusão

660,3

°C

Calor de fusão

10,7

kJ/mol

Ponto de ebulição

2519

°C

Calor de vaporização

294

kJ/mol

Temperatura crítica

s/ dado

°C

Eletronegatividade

1,61

Pauling

Estados de oxidação

+3

 

Resistividade elétrica

2,65

10-8  m

Condutividade térmica

237

W/(m°C)

Calor específico

904

J/(kg°C)

Coeficiente de expansão térmica

2,31

10-5 (1/°C)

Coeficiente de Poisson

0,35

 

Módulo de elasticidade

70

GPa

Estrutura cristalina

cúbica de face centrada

Tabela 3: Propriedades físicas e químicas do Al

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Aluminio

Compostos:

Os mais importantes são o óxido (encontrado naturalmente), o sulfato e o alume.

O óxido de alumínio (Al2O3) tem elevada dureza e resistência ao calor e, por isso, é usado em ferramentas para abrasão (rebolos) e tijolos refratários.

Aplicações:

É usado em embalagens, utensílios de cozinha, construção civil, objetos decorativos e em inúmeras aplicações estruturais e industriais que exigem um metal leve e de boa resistência mecânica.

Também usado como condutor em linhas de transmissão de eletricidade, apesar da condutividade elétrica ser apenas 60% da do cobre. Tal desvantagem, em vários casos, é compensada pela maior leveza e menor custo.

Ligas de alumínio são os principais materiais da estrutura de aviões e veículos espaciais.

A deposição de alumínio evaporado sob vácuo forma uma camada altamente refletiva para a luz e raios infravermelhos, não oxida como a prata e é usada em espelhos de telescópios, papéis decorativos e outros.

Fito-toxidade:

O aumento na concentração de Al no substrato provoca diminuição na absorção do P, K, Ca e Mg.

Ocorre também interferência em reações de transferência de grupos fosfatados como na ação de hexoquinase, na formação ésteres de carboidratos e na de nucleotídeos e ácidos nucleicos. A região meristemática da ponta da raiz mostra um número anormalmente alto de células com dois núcleos o que indica paralização do processo de divisão celular.

As raízes das plantas intoxicadas pelo Al apresentam inicialmente uma cor parda; depois as laterais cessam de crescer e, em seguida, o mesmo ocorre com todo o sistema radicular; as pontas das raízes podem enegrecer e o diâmetro pode aumentar.

Os sintomas foliares associados à toxidez de Al lembram o de extrema falta de P e os de carência de K: amarelecimento de uma larga faixa ao longo das margens e secamento das folhas.

Manganês:

Situa-se no grupo 7 ( 7B ) da classificação periódica dos elementos. Usado em ligas principalmente na do aço e, também, para a produção de pilhas.

Símbolo: Mn Número atômico: 25

Peso atômico: 54,93805 Elétrons: [Ar]4s23d5

História:

Do latim magnes (ímã, devido às propriedades magnéticas do óxido, um dos principais minérios).

Scheele, Bergman e outros o reconheceram como elemento. Gahn, em 1774, o isolou pela redução do dióxido com carbono.

Disponibilidade:

São vários os tipos de minerais. Óxidos e carbonatos são os mais comuns. Grandes quantidades foram encontradas no fundo dos oceanos, o que pode se tornar uma fonte no futuro.

Os principais minerais são a pirolusita (dióxido de manganês, MnO2), a rodocrosita (carbonato de manganês, MnCO3) e a psilomelanita (óxido hidratado de manganês contendo quantidades variáveis de ferro, bário e potássio, por exemplo, (Ba,H2O)2Mn5O10).

Produção:

É obtido pela redução do óxido com sódio, magnésio ou alumínio e também por eletrólise do sulfato, MnSO4.

Propriedades:

É parecido com o ferro, entretanto é mais duro e muito quebradiço.

Pode ser magnético mediante tratamento especial.

Existe em quatro variedades alotrópicas. A variedade alfa é estável em temperaturas ordinárias. A variedade gama muda para alfa em temperaturas comuns e é flexível, macia e dobrável.

O elemento e seus compostos são tóxicos e a exposição a poeiras deve ser limitada.

Grandeza

Valor

Unidade

Massa específica do sólido

7470

kg/m3

Ponto de fusão

1246

°C

Calor de fusão

13,1

kJ/mol

Ponto de ebulição

2061

°C

Calor de vaporização

220

kJ/mol

Eletronegatividade

1,55

Pauling

Estados de oxidação

+7+6+4+3+2 0-1

 

Resistividade elétrica

160

10-8  m

Condutividade térmica

7,8

W/(m°C)

Calor específico

479

J/(kg°C)

Coeficiente de expansão térmica

2,17

10-5 (1/°C)

Módulo de elasticidade

198

GPa

Estrutura cristalina

cúbica de corpo centrado

Tabela 4: Propriedades físicas e químicas do Mn

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Manganes

Compostos:

O dióxido é usado em pilhas secas para despolarização do catodo, na produção de vidros para remover impurezas de ferro, na produção de oxigênio e cloro.

O permanganato é um poderoso oxidante, usado em análises químicas e em medicina.

Aplicações:

É componente de várias ligas importantes. No aço, melhora as propriedades de forjamento, a resistência, a rigidez e a resistência ao desgaste.

Ligado com alumínio e antimônio e com pequena quantidade de cobre, forma um material altamente ferromagnético.

Ao vidro, dá uma coloração roxa, semelhante à ametista a qual, por sua vez, tem essa cor devido ao manganês.

É elemento importante da vida animal, provavelmente essencial para assimilação da vitamina B1.

Fito-toxidade:

Os íons Mn+2 nas plantas formam pontes entre ATP e as enzimas transferidoras de grupos. No ciclo dos ácidos tricarboxílicos operam descarboxilases desigrogenases ativadas por Mn+2. A polimerase do RNA é outra enzima ativada pelo Mn o que da ao elemento um papel indireto na síntese de proteínas e na multiplicação celular.

Na fotossíntese o Mn atua de diferentes modos:

  1. doador de e- para a clorofila ativada;

  2. síntese de clorofila, formação, multiplicação e funcionamento dos cloroplastos.

Os sintomas de toxidez somente se manifestam quando a falta for extrema ou quando o nível for excessivo.

Sintomas de deficiência:

  1. visíveis;

    1. clorose das folhas novas seguida de branqueamento;

    2. manchas pequenas e necróticas nas folhas;

    3. formas anormais nas folhas;

  2. citológicos;

    1. cloroplastos vacuolados;

  3. químicos;

    1. menor teor de amido.

  4. fisiológicos;

    1. respiração diminuída, menor atividade fotossintética.

Sintomas de excesso:

  1. deficiência de ferro induzida;

  2. manchas necróticas ao longo do tecido condutor;

  3. encarquilhamento de folhas largas;

  4. menor nodulação nas leguminosas.

Propriedades físicas dos metais do 5º grupo de cátions: Ca+2 (cálcio), Sr+2 (estrôncio), Ba+2 (bário).

Cálcio:

É um metal da família dos alcalino-terrosos, pertencente ao grupo 2 da classificação periódica dos elementos químicos.

Símbolo: Ca Número atômico: 20

Peso atômico: 40,078 Elétrons: [Ar]4s2

História:Do latim calx (cal).

O  metal só foi descoberto em 1808, embora os romanos tenham preparado cal desde o século 1. Foi isolado por Davy, após conhecimento do preparo, por Berzelius e Pontin, do amálgama de cálcio através da eletrólise da cal em mercúrio.

Disponibilidade:É o quinto elemento mais abundante na crosta terrestre, com cerca de 3% em peso. Não encontrado na forma livre.

Os minerais mais importantes são o calcário (carbonato de cálcio), a gipsita (sulfato de cálcio hidratado), a fluorita (fluoreto de cálcio), a apatita (fluorfosfato ou clorofosfato de cálcio) e outros.

Produção:O metal é preparado pela eletrólise do cloreto fundido, com adição de fluoreto de cálcio para baixar o ponto de fusão.

O cloreto pode ser obtido pela reação do carbonato com ácido clorídrico:CaCO3 + 2HCl ® CaCl2 + H2O + CO2.

Em pequena escala, pode ser produzido pela reação do cloreto com sódio:CaCl2 + 2Na ® Ca + 2NaCl.

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