QFL-3102

Química Inorgânica

GASES NOBRES

Vimos na aula passada

Abundância dos elementos

no planeta Terra

7%

3%

3%

5%7%

26%

49%

Outros

NaCaFe

Al

Silício

49,5 %

Oxigênio

Crosta terrestre

0,7% da massa da Terra

É todo o nosso suprimento disponível de matérias primas

Planeta TerraProfundidade

em km

36

2900

Manto

NúcleoMais de 3000 km até o centro geométrico

Parte externa líquida

Parte interna sólida extremamente densa

Metálico (Ferro e níquel)

68% da massa da Terra

83% do volume da Terra

Silicatos densos de Fe e Mg

Crosta

continental

Fonte: Fine & Beall, Chemistry for Engineer and Scientists, 1990, p. 111

3%

13%

37%

16%

31%

Outros

Mg

FeSilício

Oxigênio

Crosta terrestre

Fina camada exterior 5 a 65 km de espessura

Litosfera: parte sólida (silicatos, carbonatos, óxidos, sulfetos...)

Espessura média~ 35 km sob os continentes

~ 10 km sob os oceanos

Hidrosfera: oceanos, mares, lagos, rios

(água, NaCl, NaBr, NaI, MgCl2, ...)

Atmosfera: ar (Nitrogênio, oxigênio, gases nobres)

Biosfera: carvão, petróleo, gás natural, enxofre,

rocha fosfática, produtos naturais orgânicos

menos de 0,03%

da massa total

da Terra.

(v/v)

Aula de hoje

Significado dos nomes

Hélio do grego helios, significa Sol

Neônio do grego neos, significa novo

Argônio do grego argos, significa inativo, indiferente

Kriptônio do grego kriptos, significa oculto, escondido

Xenônio do grego xenos, significa estranho

Radônio batizado em função do elemento rádio,

do qual deriva por decaimento radioativo

Linhas escuras no espectro solardesconhecida na terra,

observada em 1868 pelos

astrônomos P. J. C.

Janssen (1824-1907) e J.

N. Lockyer (1836-1920)

5876 nm (linha D3)

GASES NOBRES

2

He10

Ne18

Ar36

Kr54

Xe86

Rn

Configurações eletrônicas de camada completa:

• baixa reatividade

• monoatômicos

1962: Neil Bartlett sintetizou o primeiro

composto de gás nobre:Xe + PtF6 XePtF6

GRUPO 18

ns2 np6

He: 1s2

Já foram chamados de

gases raros

gases inertes

gases nobres

Argônio é mais abundante

que Ag, Hg, CO2

XX

Descoberta dos gases nobres

1785 – Henry Cavendish Primeiros indícios da existência

Ar atmosférico NO2 + O2

Removeu NO2 com solução básica (NaOH ou KOH).

Converteu excesso de O2 em SO2 (queima de enxofre).

Removeu SO2 com solução de NaOH.

Sobrava resíduo gasoso não reativo.

Pequena quantidade de ar residual, "não maior do que 1/120 do total“.

faísca

elétrica

Sem explicação durante um século !!!

Não havia lugar na Tabela Periódica para ele !!!

Ramsay propôs a existência de um grupo inteiro.

1892 – O físico John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919)

separou os gases conhecidos do ar (O2, CO2, H2O) e obteve

"nitrogênio" com densidade ~0,5% maior do que a do nitrogênio

preparado a partir de compostos nitrogenados, ex:

NH4NO2(s) N2(g) + 2 H2O(l)

Solicitou ajuda dos químicos no que foi atendido por William Ramsay

(1852-1916) repetiram o experimento de Cavendish:

Ar atmosférico + O2 NO2 + excesso de O2

e removeram o oxigênio por reação com cobre aquecido:

2 Cu + O2 2 CuO

Restou pequena quantidade de um gás com espectro de emissão

desconhecido elemento novo = argônio.

1894 - Rayleigh e Ramsay prepararam quantidade razoável de

argônio e tentaram sua combinação com H2, Na, Cl2, S, etc, sem êxito.

1898 - Descobertos o criptônio, o neônio e o xenônio, por Ramsay

e seu assistente Morris Travers (1872-1961), por meio da destilação

fracionada do ar líquido.

1900 - O último dos elementos da família foi isolado, como uma

emanação gasosa do elemento rádio, por Lord Rutherford (1871-

1937) e por Frederick Soddy (1877-1956) = radônio.

1895 – Ramsay repetiu experimentos de W. F. Hillebrand (1853-

1925), aquecendo minerais de urânio e comprovou que o gás inerte

liberado não era nitrogênio, nem argônio.

Exame espectroscópico linha espectral idêntica à observada,

em 1868, no espectro solar novo elemento = hélio.

NOVO GRUPO

Ponte entreHalogênios – fortemente eletronegativos

Alcalinos – fortemente eletropositivos

Permitiu interpretação da tabela periódica

Papel chave nas teorias eletrônicas de

valência (estabelecimento de “octeto estável”)

1916 – G. N. Lewis (1875-1946)

William Ramsay e

os gases nobres

Ocorrência dos gases nobres

Hélio

2o elemento mais abundante no Universo (23% em massa) e no Sol

é raro na Terra (tende a escapar da força gravitacional)

componente de gases naturais sob formações rochosas (resultado da

emissão de partículas alfa por elementos radioativos).

Abundância na atmosfera

(% em volume)

5,2 x 10-4

1,5 x 10-3

0,93

1,1 x 10-4

8,7 x 10-6

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

Gás

radioativo (1/2 vida = 3,8 dias) 4

2

218

84

222

86 PoRn

4He2+2

4 =24He2

hélio

4 2 e- 2

Argônio é o mais abundante,

origina-se do 40K por captura β

0e-1

40K +19

40Ar18

Fontes e produção dos gases nobres

HeNe

Ar

Kr

Xe

Rn

Depósitos de gás natural

Ar atmosférico

Liquefação dos

hidrocarbonetos

Destilação fracionada

do ar liquefeito

100 g de rádio fornecem cerca de 2 mL de radônio por dia.

4

2

222

86

226

88 RnRa

Decaimento radioativo de

minerais de rádio e tório

Propriedades atômicas

configuração eletrônica camada completa

HeNe

Ar

Kr

Xe

Rn

1a EI

(kJ/mol)

23702080

1520

1350

1170

1040

Raio

(pm)

99160

192

197

217

Energia de ionização alta Zef é alta no fim do período

Afinidade eletrônica baixa (elétron adicionado vai para nova camada)

Número atômico

EI

(kJ/mol)

Espectro de emissão atômica

λ (nm)

400 500 600 700

Hg

Ne

H

Identificação de gases nobres

métodos químicos não dão reações características

métodos espectroscópicos espectros característicos

X

Espectro de emissão do hidrogênio atômico

Recordando

Propriedades físicas e químicas

Gases monoatômicos, incolores e inodoros

PE

(oC)

-269-246

-186

-153

-108

- 62

PF

(oC)

-249

-189

-157

-112

- 71

Densidade

em CNTP

(g dm-3)

0,180,90

1,78

3,75

5,89

9,73

Solubilidade em água a 20oC

(cm3 kg-1)

8,610,5

33,6

59,4

108

230

HeNe

Ar

Kr

Xe

Rn

Gás

Forças de dispersão de London

• Forças de atração que operam a distâncias extremamente curtas

• São maiores para átomos maiores (mais polarizáveis)

• Hélio é o único líquido que não se solidifica apenas diminuindo a

temperatura (requer P acima de 25 atm)

Molécula

monoatômica

(esférica,

apolar)

Aparecimento

de dipolo

instantâneo

Atração intermolecular

Líquefação

Solidificação

Resfriamento

Resfriamento

Hélio-II superfluido, viscosidade nula, extremamente móvel, pode fluir

para cima subindo pelas paredes do recipiente, alta condutividade térmica

Diagrama de fases do hélio 4He

configuração eletrônica dos gases nobres:

Octeto completo, todos elétrons emparelhados

desemparelhar elétrons

romper nível completamente preenchido

promover elétron para outro nível

Reatividade

Quantidade de energia muito grande

Só reagem com elementos muito eletronegativos (F, O)

Facilidade de reação cresce com o no atômico (< EI)

Xe > Kr > Ar > Ne > He

XeF2, XeF4, XeF6, XeO3, ... Não se conhecem compostosKrF2

Aplicações dos gases nobres

HÉLIO

• em dirigíveis

Não inflamável

dHe = 0,18 g dm-3

dar = 1,29 g dm-3

• como fluido de refrigeração

< PE de todos os líquidos

Ímas supercondutores, 2-5 K

• em foguetes

para pressurizar o combustível

• em lasers de hélio-neônio

• como atmosfera artificial para

mergulhadores (80% He, 20% O2)

baixa solubilidade no sangue

(menor que do N2)

• para tratamento de asma

Alta velocidade de difusão,

reduz esforço respiratório

Aplicações dos gases nobres

ARGÔNIO

• Atmosfera inerte para

Processos metalúrgicos

Solda de arco voltaico

Crescimento de cristais de Si e Ge (transistors)

Laboratório (preparações em ausência de O2)

mais abundante

e mais barato• Enchimento de

Lâmpadas elétricas incandescentes

Lâmpadas fluorescentes

Contadores Geiger-Müller

88% Ar +

12% N2

W

Aplicações dos gases nobres

NEÔNIO

KRIPTÔNIO

XENÔNIO

• Xe e Kr – flash para fotografia

• em lasers de hélio - neônio

• em tubos de descarga elétrica

Lâmpadas de neon para anúncios

luminosos (cor depende da mistura

de gases)

Kr - iluminação de pistas de aeroportos

Xe – anestésico (solúvel no sangue)

Toxicidade He, Ne, Ar, Kr e Xe Atóxicos

Radônio Gás prejudicial à saúde, emite radiação nuclear ionizante

222Rn 218Po 214Pb 214Bi 214Po

210Pb210Bi210Po206Pb

α α β β

ββα αestável

Rn se dissolve nos tecidos dos pulmões

Compostos dos gases nobres

CLATRATOS

Compostos de inclusão

Hospedeiro: Água (gelo),

hidroquinona, zeólitas Convidado:

Ar, Kr, Xe

Não se forma ligação química

Aplicação:

Armazenamento

de gases nobres

Existem sob pressão do gás

Compostos dos gases nobres

Número atômico

EI (eV)

1933 – previstos por Linus Pauling

1962 – Neil Bartlett preparou um poderoso oxidante, PtF6, que

conseguiu oxidar O2 a O2+. Como o Xe que tem EI próxima à do O2,

testou também a reação com Xe.

Sintetizou assim o primeiro

composto de gás nobre e

depois outros foram obtidos.

O2 + PtF6 O2+ PtF6

-

EI do O2 = 12,2 eV

EI do Xe = 12,13 EV

não existem compostos de He, Ne ou Ar.

Rn: reage com flúor, mas sua radioatividade torna difícil

o estudo de seus compostos.

Kr: forma apenas uma molécula neutra estável

conhecida, KrF2.

Xe: Energia de ionização suficientemente baixa: seus

elétrons mais externos podem ser perdidos para elementos

com alta eletronegatividade.

A química dos gases nobres

Xe + F2

Mistura

2:1XeF2

XeF4

XeF6

1:5

1:20

Xe reage diretamente apenas com F2.

Compostos com O podem ser obtidos

a partir dos fluoretos.

Recordando

Teoria RPECV (repulsão de pares

eletrônicos da camada de valência)

Linear

Trigonal planar

Tetraedro

Bipirâmide trigonal

Octaedro

No de

pares de

elétrons

2

3

4

5

6

Repulsão: par isolado-par isolado > par isolado-par

compartilhado > par compartilhado-par compartilhado

Geometrias com

repulsão mínima

Recordando aula do Prof. Hermi QFL-3100

Requisitos:

1) Os pares eletrônicos da camada de valência do átomo central tendem

a se orientar de forma que sua energia total seja mínima

- Minimizar as repulsões intereletrônicas

Recordando aula do Prof. Hermi QFL-3100

2) A magnitude da repulsão entre os pares eletrônicos depende de

estarem compartilhados ou isolados

3) Forças repulsivas decrescem bruscamente com o aumento do ângulo

entre os pares eletrônicos:

são fortes a 90o, mais fracas a 120o e extremamente fracas a 180o

a) Par compartilhado

Par compartilhado

b) Par isolado -Par compartilhado

c) Par isolado -Par isolado

Repulsão entre os pares eletrônicos crescente

dd

d

XeF2

Xe 8 elétrons

2 F 2 elétrons

Total = 10 elétrons

ou 5 pares

Molécula linear

Molécula

linearMoléculas angulares

Xe 8 elétrons

4 F 4 elétrons

Total = 12 elétrons

ou 6 pares

XeF4

XeF6 Xe 8 elétrons

6 F 6 elétrons

Total = 14 elétrons

ou 7 pares 6 ligações Xe-F

1 par isolado

- a presença do par de

e- não compartilhado

distorce o octaedro

• poderosos agentes oxidantes e fluorantes

2 XeF2 + 2 H2O 2 Xe + 4 HF + O2

• precursores para obter óxidos e oxiácidos de xenônio

XeFn

XeF6 + 3 H2O XeO3 + 6 HF

Vários outros compostos já são conhecidos:

XeOF2, XeOF4, XeO3F2, XeO4, Ba2[XeO6], etc.

Trióxido de xenônio, XeO3 = anidrido do ácido xênico, H2XeO4

Bibliografia

1. D. F. Shriver, P. W. Atkins e outros; Química Inorgânica, 4a ed.,

Bookman, Porto Alegre, 2008, cap. 17, p. 447 ou edições anteriores

2. J. D. Lee, Química Inorgânica não tão concisa, Ed. Edgard Blücher,

1999, cap. 17, p. 319

3. N. N. Greenwood e A. Earnshaw, Chemistry of the elements,

Pergamon Press, Oxford, 1984, cap. 18, p. 1042

4. L. W. Fine e H. Beall, Chemistry for Engineers and Scientists,

Saunders, Philadelphia, 1990, p. 221

5. J. Zimmernan, O estranho mundo do hélio, Revista Iberoamericana

de Educación Química, vol. 4, no 3, p. 76-79, 1973

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