Metais da Família do Boro e do Carbono

Aula 11
Temática: Metais da Família do Boro e do Carbono
Nesta aula falaremos sobre os metais da família do Boro e do
Carbono. Boa aula!
METAIS DA FAMÍLIA DO BORO
Ocorrência, Estrutura, Métodos de Obtenção, Aplicações e Propriedades
O boro é um não-metal e sempre forma ligações covalentes. Normalmente
forma três ligações covalentes com ângulos de 120º entre si, utiliza orbitais
híbridos sp2. O boro não possui nenhuma tendência a formar compostos
monovalentes. Todos os compostos BX3 são deficientes em elétrons e podem
receber mais um par de elétrons de um outro átomo que formará uma ligação
coordenada. Os elementos Al, Ga, In e Tl formam compostos trivalentes. Os
elementos mais pesados apresentam o efeito do par inerte. Esses quatro
elementos são mais metálicos e iônicos do que o boro. São metais
moderadamente reativos. Seus compostos se situam no limite entre aqueles
com caráter iônico e covalente. Muitos de seus compostos são covalentes
quando anidros, mas formam íons em solução.
Os pontos de fusão dos elementos do grupo 13 não variam regularmente,
como no caso dos metais dos grupos 1 e 2. Os valores para os elementos do
grupo 13 não podem ser comparados entre si com muito rigor, pois o B e o Ga
apresentam estruturas inusitadas.
O boro apresenta estrutura cristalina fora do comum que leva a um ponto de
fusão muito elevado. Existem, pelo menos, quatro diferentes formas
alotrópicas. Todas as quatro formas alotrópicas contêm unidades icosaédricas
(poliedro regular com 12 vértices e 20 faces).
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Os elementos Al, In, Tl apresentam estruturas metálicas de empacotamento
compacto. O gálio tem uma estrutura pouco comum.
O boro é um elemento razoavelmente raro, mas é bastante conhecido e
estudado,
porque
ocorre
em
depósitos
concentrados
de
bórax,
Na2B4O7.10H2O, e de kernita, Na2B4O7.4H2O. Durante um longo período de
tempo, a chuva arrastou esses sais alcalinos das encostas dos morros para
dentro de lagos nos vales.
O alumínio é o metal mais abundante e o terceiro elemento mais abundante em
peso (depois do oxigênio e do silício) da crosta terrestre. É bem estudado e
tem grande importância econômica. O minério de alumínio mais importante é a
bauxita. Trata-se de um nome genérico para diversos minerais com fórmulas
que variam entre Al2O3.H2O e Al2O3.3H2O. O alumínio ocorre também em
grandes quantidades em rochas do tipo dos alumínio-silicato, tais como
feldspatos e as micas. Quando essas rochas decompõem-se, formam argilas
ou outras rochas metamórficas.
O gálio é duas vezes mais abundante que o boro, mas índio e o tálio são muito
menos abundantes. Os três elementos, Ga, In e Tl, ocorrem na forma de
sulfetos e são pouco conhecidos, em parte porque não são encontrados como
concentração de minérios, e em parte porque não há uso importante para eles.
Pequenas quantidades de Ga são encontradas em minérios de elementos
adjacentes a ele na Tabela Periódica (Al, Zn e Ge). Traços de In e Tl são
encontrados em minérios de ZnS e PbS. O boro amorfo de baixa pureza
(chamado de boro de Moissan) pode ser obtido reduzindo B2O3 com Mg ou Na
a altas temperaturas.
Na2B4O7.10H2O → H3BO3 → B2O3 → 2B + 3MgO
(ácido)
(calor)
(Na ou Mg)
O alumínio é obtido a partir da bauxita, que pode ser AlO.OH(Al2O3.H2O) ou
Al(OH)3(Al2O3.3H2O). A primeira etapa é a purificação do minério. No processo
Bayer são removidos materiais que acompanham o minério como impureza
(principalmente compostos de ferro e de silício), porque poderiam afetar as
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propriedades do produto. Adiciona-se NaOH ao minério, e, como Al é anfótero,
dissolve-se e forma o aluminato de sódio. O SiO2 também se dissolve na forma
de íons silicato. Todos os rejeitos insolúveis, particularmente óxido de ferro,
são removidos da solução fortemente alcalina de aluminato. Isso pode ser feito
com borbulhamento de CO2 (óxido que diminui o pH) ou então semeando a
solução com Al2O3. Os íons silicato permanecem em solução. O precipitado de
Al(OH)3 é calcinado (aquecido fortemente) e converte-se em Al2O3 purificado.
O alumínio é extraído geralmente pelo processo de Hall-Héroult. O Al2O3 é
fundido misturado com criolita, Na3[AlF6], e eletrolisado num tanque de aço
revestido de grafita, que atua como cátodo. Os ânodos também são feitos de
grafita. A cela funciona continuamente, e, a certos intervalos, o alumínio
fundido (ponto de fusão 660°C) é removido do fundo da célula e sção
adicionadas novas quantidades de bauxita.
Al(OH)3 + 3NaOH + 6HF → Na3[AlF6] + 6H2O
O metal alumínio é moderadamente mole e fraco quando puro, mas torna-se
consideravelmente mais resistente quando combinado em ligas com outros
metais. Sua principal vantagem é seu baixo peso (densidade baixa, de 2,73
g.cm-3). Algumas ligas são utilizadas para finalidades específicas: duralumínio,
que contém cerca de 4% de Cu, e diversos "bronzes de alumínio" (ligas de Cu
e Al com outros metais, como Ni, Sn e Zn). São muitos os usos do alumínio e
de suas ligas. Veja algumas:
1. Como um metal estrutural, em aviões, navios, automóveis e trocadores de
calor.
2. Na indústria da construção (portas, janelas, divisórias, "trailers").
3. Recipientes diversos, tais como embalagens para bebidas, tubos para pasta
de dente etc., e alumínio em lâminas.
4. Na fabricação de cabos elétricos (toma-se como base o peso, pois eles
conduzem duas vezes mais que o cobre).
5. Na fabricação de utensílios domésticos.
6. Pó de alumínio finamente dividido, chamado de "bronze de alumínio" e
usado no preparo de tintas à base de alumínio.
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METAIS DA FAMÍLIA DO CARBONO
Ocorrência, Estrutura, Métodos de Obtenção, Aplicações e Propriedades
Em temperatura ambiente, o chumbo encontra-se no estado sólido. É um metal
tóxico, pesado, macio, maleável e pobre condutor de eletricidade. Apresenta
coloração
branco-azulada
quando
cortado,
porém
adquire
coloração
acinzentada quando exposto ao ar. É usado na construção civil, baterias de
ácido, em munição, proteção contra raios-X , e forma parte de ligas metálicas
para a produção de soldas, fusíveis, revestimentos de cabos elétricos,
materiais antifricção, metais de tipografia etc. O chumbo tem o número atômico
mais elevado entre todos os elementos estáveis.
O mais amplo uso do chumbo é na fabricação de acumuladores. Outras
aplicações importantes ocorrem na fabricação de forros para cabos, elemento
de construção civil, pigmentos, soldas suaves e munições. A fabricação de
chumbo tetra etílico (TEL) vem caindo muito em função de regulamentações
ambientais, cada vez mais restritivas no mundo no que se diz respeito à sua
principal aplicação, que é como aditivo na gasolina. No caso do Brasil, este
aditivo deixou de ser usado como antidetonante desde 1978.
Graças a sua excelente resistência à corrosão, o chumbo possui muitas
aplicações na indústria de construção e, principalmente, na indústria química. É
resistente ao ataque de muitos ácidos, porque forma seu próprio revestimento
protetor de óxido. Como conseqüência desta característica, o chumbo é muito
utilizado na fabricação e manejo do ácido sulfúrico.
O chumbo forma ligas com muitos metais e, em geral, é empregado nesta
forma na maior parte de suas aplicações. Todas as ligas metálicas formadas
com estanho, cobre, arsênio, antimônio, bismuto, cádmio e sódio apresentam
importantes aplicações industriais (soldas, fusíveis, material de tipografia,
material de antifricção, revestimentos de cabos elétricos etc.). Uma mistura de
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zirgonato de chumbo e de titanato de chumbo, conhecida como PZT, está
sendo posta no mercado como um material piezoelétrico.
O chumbo raramente é encontrado no seu estado elementar. O mineral de
chumbo mais comum é o sulfeto denominado galena (com 86,6% deste metal).
Outros minerais de importância comercial são o carbonato (cerusita) e o sulfato
(anglesita), que são mais raros. Geralmente é encontrado com minerais de
zinco, prata e, em maior abundância, de cobre. O chumbo também é
encontrado em vários minerais de urânio e de tório, já que vem diretamente da
desintegração radioativa destes radioisótopos. Por intermédio da ustulação do
minério de chumbo, obtém-se como produto o óxido de chumbo que, num alto
forno, é reduzido com a utilização de coque, fundente e óxido de ferro. O
chumbo, bruto obtido, é separado da escória por flotação. A seguir, é refinado
para a retirada das impurezas metálicas, que pode ser por destilação. Desta
forma, pode-se obter chumbo com uma pureza elevada (99,99%).
O chumbo pode ser encontrado na água potável por meio da corrosão de
encanamentos de chumbo isto é comum de ocorrer quando a água é
ligeiramente ácida. Este é um dos motivos para os sistemas de tratamento de
águas públicas ajustarem o pH das águas para uso doméstico. O chumbo não
apresenta nenhuma função essencial conhecida no corpo humano. É
extremamente danoso quando absorvido pelo organismo através da comida, ar
ou água.
O estanho é um metal prateado, maleável é sólido nas condições ambientais.
Não oxida facilmente com o ar e é resistente a corrosão. Usado para produzir
diversas ligas metálicas utilizadas para recobrir outros metais para protegê-los
da corrosão.
Quando uma barra de estanho é quebrada produz um ruído denominado “grito
de lata” (“grito de estanho”) causada pelos cristais quando são rompidos. Este
metal resiste à corrosão quando exposto à água do mar destilada ou à água
potável, porém pode ser atacado por ácidos fortes, bases alcalinas e sais
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ácidos. O estanho age como um catalisador quando o oxigênio encontra-se
dissolvido, que acelera o ataque químico.
O estanho, quando aquecido na presença do ar acima de 1500°C retorna a
condição de óxido estânico. O estanho é atacado pelos ácidos sulfúrico, nítrico
e clorídrico concentrados, e com bases alcalinas produz estanatos. O estanho
facilmente pode ser lustrado e é usado como revestimento de outros metais
para impedir a corrosão ou a outra ação química. Este metal combina-se
diretamente com cloro e oxigênio, e desloca o hidrogênio dos ácidos. O
estanho é maleável em baixas temperaturas, porém é frágil quando aquecido.
O estanho liga-se prontamente com o ferro, e foi usado para o revestimento do
chumbo ou zinco e o aço para impedir a corrosão. Os recipientes de aço
blindados com estanho (folhas de flanders) são usados extensivamente para a
conservação de alimentos, e, desta forma, é um grande mercado para o
estanho metálico. O estanho possui outras utilidades tais como:
•
Usado também para soldar junta de tubulações ou de circuitos elétricos
e eletrônicos. Na forma de ligas é usado para a fabricação de molas,
fusíveis, tubos e peças de fundição como mancais e bronzinas.
•
Os sais de estanho são usados em espelhos e na produção de papel,
remédios e fungicidas.
•
Produção de lâminas muito finas utilizadas para acondicionar vários
produtos como, por exemplo, maços de cigarros e barras de chocolate.
O estanho é produzido pela redução do minério com carvão em alto forno e
depois refinado em fornos revérboro:
SnO2 + 2 C → Sn + 2 CO
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O único mineral de importância comercial como uma fonte de
estanho é a cassiterita (SnO2), embora pequenas quantidades de estanho são
recuperados de sulfetos complexos como estanita, cilindrita, lindrita, franckeita ,
canfieldita, e teallita. A sucata também é uma fonte importante de estanho.
Se você observar a tabela periódica dos elementos, irá perceber
que, na família do boro e carbono, possui elementos não metais, semimetais e
metais. Consulte sua tabela. É muito importante que você a tenha em mãos
durante as aulas. Na próxima aula iremos iniciar uma jornada, pois iremos
estudar os metais de transição. Bom estudo e até a próxima aula!
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