CQ-093 Química Inorgânica Fundamental Engenharia …quimica.ufpr.br/fsnunes/cq093/CQ093 Quimica...
Transcript of CQ-093 Química Inorgânica Fundamental Engenharia …quimica.ufpr.br/fsnunes/cq093/CQ093 Quimica...
CQ-093 Química Inorgânica Fundamental
Engenharia Química
Responsáveis:
Prof. Fábio Souza Nunes
www.quimica.ufpr.br/fsnunes/cq093
Profa. Giovana Gioppo Nunes
www.quimica.ufpr.br/nunesgg/cq093
CQ-093 Química Inorgânica Fundamental
A importância do setor industrial na economia
Fonte: Abiquim
O Brasil é hoje a 8a economia do mundo e a 1a da América Latina
A indústria contribui:
com 22% do PIB
50% das exportações
66% do investimento do setor privado em P&D
30% da contribuição fiscal
A indústria química brasileira
Fonte: Abiquim
POSIÇÃO DE DESTAQUE
US$ 119,6 bilhões
faturamento
líquido em 2017
US$ 58,1 bilhões
produtos
químicos de uso
industrial 2017
3o maior PIB da indústria
10,4% 2017
2,5% do PIB Brasil
400 mil Empregos
diretos
2 milhões empregos
indiretos
Salários: dobro da
indústria de
transformação
A química brasileira na indústria de transformação
Fonte: Abiquim
Evolução do faturamento líquido da indústria química brasileira
Fonte: Abiquim
Faturamento da indústria química brasileira por segmento em 2017 (US$119,6 bilhões)
Fonte: Abiquim
Utilização da capacidade instalada (UCI) da indústria química brasileira
Fonte: Abiquim, CNI
A indústria química mundial
Fonte: Abiquim
8a
Onde estão os produtos químicos?
Onde estão os produtos
químicos?
Classificação dos produtos
químicos
Classificação dos produtos
químicos
A indústria química brasileira
Fonte: Abiquim, Abiplast e Braskem
Unidades de produção
11 unid. EXTRAÇÃO e REFINO
petróleo e gás
06 unid. 1a GERAÇÃO petroquímicos básicos
(eteno, propeno, butadieno, benzeno, xilenos)
2,5 mil unid. ind. e 2,3 mil empresas 2a GERAÇÃO
químicos intermediários e resinas termoplásticas
(PE, PP, PS, PET, SBR)
12 mil empresas 3a GERAÇÃO transformadores plásticos
(embalagens, autopeças, eletrodomésticos, tubos)
Produtos Químicos – Produção Mundial
Classificação Produto Químico Milhões de
toneladas
1 Cal 283
2 Ácido sulfúrico 200
3 Etileno 156
4 Uréia 151
5 Amônia 140
6 Propileno 80
7 Hidróxido de sódio 66
8 Ácido nítrico 60
9 Cloro 56
10 Carbonato de sódio 50
Fonte: The Essential Chemical Industry
Classificação Produto Químico Milhões de
toneladas
11 Hidrogênio 50
12 Benzeno 42
13 Ácido fosfórico 38
14 1,4-Dimetil benzeno 33
15 Ácido Clorídrico 20
16 Etilenoglicol 18
17 Óxido de etileno 17
18 1,3-Butadieno 12
19 Dióxido de titânio 5,1
20 Peróxido de
Hidrogênio
3,8
Fonte: The Essential Chemical Industry
GRUPO 1
GRUPO 1 - A INDÚSTRIA CLORO-ÁLCALIS
MATÉRIA PRIMA
Mina de Sal Gema
em Cheshire,
Reino Unido
NaCl obtido da
evaporação da água
do mar
Eletrólise Ígnea de Cloreto de Sódio
Na+(NaCl) + e- → Na(s)
2Cl-(NaCl) → Cl2(g) + 2e-
Célula de Downs
GRUPO 1 - METAIS ALCALINOS
OBTENÇÃO
Eletrólise de Cloreto de Sódio em solução aquosa
NaCl(aq) → Na+(aq) + Cl-(aq)
2H2O (aq) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq)
2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e-
GRUPO 1 – A INDÚSTRIA CLORO-ÁLCALIS
Produção de soda cáustica
HR
NA zA zB e2
1 - d
do
A=4odo
NaOH - Aplicações
Célula de cátodo de mercúrio Célula de diafragma
GRUPO 1 – Produção de hidróxido de sódio
Célula de membrana
NaOH(aq)
50%
NaOH(aq)
12%
NaOH(aq)
30%
BARRILHA OU SODA LEVE
MÉTODO SOLVAY
Ernest Solvay
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
NH3(g) + H2O(l) NH4OH(aq)
2NH4OH(aq) + CO2(g) (NH4)2CO3(aq) + H2O(l)
(NH4)2CO3(aq) + CO2(g) + H2O(l) 2NH4HCO3(aq)
NH4HCO3(aq) + NaCl(aq) NH4Cl(aq) + NaHCO3(s)
2NaHCO3(s) Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(l)
CaO(s) + H2O(l) Ca(OH)2(aq)
2NH4Cl(aq) + Ca(OH)2(aq) 2NH3(g) + CaCl2(aq) + 2H2O(l)
CaCO3(s) + 2NaCl(aq) Na2CO3(s) + CaCl2(aq)
BICARBONATO DE SÓDIO
Processo Solvay
BARRILHA OU SODA LEVE
BICARBONATO DE SÓDIO
É preparado pela carbonatação de uma solução saturada de
carbonato de sódio com CO2(g) comprimido a 40 oC:
Na2CO3(aq) + CO2(g) + H2O(l) 2NaHCO3(s)
GRUPO 2
Magnésio
o magnésio é único elemento do grupo 2 produzido em larga escala e o
terceiro mais usado depois de ferro e alumínio;
É um material estrutural de baixa densidade (1,74 g.cm-3 compare com
aço 7,8 e Al 2,7);
usado na fabricação de ligas contendo Al, Zn, Mn, Pr, Nd e Th
usado na fabricação de estruturas e peças de aeronaves
e motores de automóveis.
o magnésio é importante em síntese orgânica, sendo usado na
preparação dos reagentes de Grignard, RMgBr.
Cálcio
o cálcio é obtido por eletrólise de CaCl2 fundido (obtido como
subproduto do processo Solvay ou a partir da reação entre CaCO3 e HCl).
o cálcio puro é usado para a produção de ligas com Al,
confecção de mancais, na indústria do aço para controlar a
quantidade de carbono. Também é usado como redutores na
obtenção de Zr, Cr, Th e U.
Elemento essencial á vida, presente nos ossos, participa no
funcionamento de músculos e nervos.
Dureza da Água
água dura contém bicarbonatos e/ou sulfatos de magnésio e cálcio
dissolvidos
Classificação da Dureza:
Temporária e Permanente
Temporária: devido-se à presença de Mg(HCO3)2 e Ca(HCO3)2
Pode ser eliminada pela fervura:
2HCO3-(aq) + calor CO3
2-(aq) + CO2(g) + H2O(l)
CO32-(aq) + Ca2+(aq) CaCO3(s)
pode ser eliminada pela adição de cal hidratada:
Ca(HCO3)2(aq) + Ca(OH)2(aq) 2CaCO3(s) + 2H2O(l)
Dureza da Água
Dureza Permanente:
Ocorre pela presença de sulfatos de magnésio e/ou cálcio;
Não pode ser eliminada pela fervura;
A eliminação requer a adição de carbonato de sódio
CO32-(aq) + Ca2+(aq) CaCO3(s)
Se houver muito Mg2+, pode haver a precipitação na forma de
hidróxido:
CO32-(aq) + H2O(l) HCO3
-(aq) + OH-(aq)
Mg2+(aq) + 2OH-(aq) Mg(OH)2(s)
Dureza da Água
Dureza da Água
A dureza também pode ser tratada por destilação e passagem por
coluna de troca iônica, onde Ca2+ e Mg2+ são substituídos por Na+
Dureza da Água – tratamento por troca iônica
A dureza também pode ser tratada por destilação e passagem por
coluna de troca iônica, onde Ca2+ e Mg2+ são substituídos por Na+
Dureza da Água – tratamento por osmose reversa
Dureza da Água – tratamento por osmose reversa
Dureza da Água – tratamento por osmose reversa
Água dura reduz a eficiência da limpeza;
Ca2+ e Mg2+ reagem com o sabão (estearato de sódio) = H3C(CH2)16-COO-Na+
e precipitam, prejudicando a formação de micelas;
Dureza da Água
A dureza pode ainda ser tratada pela adição de complexantes
como fosfatos inorgânicos, P2O74- ou P3O10
5- ou edta =
etilenodiaminatetraacetato, que atuam como agentes quelatos
formando compostos de coordenação muito estáveis com os íons
Ca2+ e Mg2+ e solúveis em água:
Dureza da Água
ânion pirofosfato tripolifosfato de sódio
complexo com edta
GRUPO 13
GRUPO 13
Ga
CQ133
FSN
Produção de Alumínio
Refino da bauxita (Processo Bayer) e
Produção de Alumínio (Processo Hall-Héroult)
2AlO(OH)(s) + 2NaOH(aq) + 2H2O(l) → 2NaAl(OH)4(aq) SiO2(s) + 2NaOH(aq) → Na2SiO3(aq) + H2O(l) Al(OH)4
-(aq) + CO2(g) Al(OH)3(s) + HCO3-(aq)
Al(OH)3(s) + calor → Al2O3(s) + H2O(g) Al(OH)3(s) + 6HF(g) → [AlF6]
3-(aq) + 3H3O+(aq)
[AlF6]
3-(aq) + 3H3O+(aq) + 3NaOH(aq) + calor → Na3AlF6(s) + 6H2O(g)
criolita Eletrólise ígnea Na3AlF6(s) + Al2O3 + CaF2 + AlF3 → Al(l)
AlO(OH) =
bauxita
Al3+ + 3e- → Al(l)
2O2- + C(s) → CO2(g) + 4e-
O Processo Hall-Heroult
1886 –Charles Hall (EUA) e Paul Heroult (França)
10 a 13 kWh / kg de Al
400 células de 8x4x1m
300.000 ton Al / ano
ALUMÍNIO
2o metal mais produzido depois do ferro
39.7 bilhões de toneladas/ano
baixa densidade, maleável,
resistente à corrosão, bom condutor de eletricidade
e facilmente reciclado com baixo uso de energia (5% da necessária
para sua produção)
Forma ligas metálicas com Cu, Zn, Mg, Mn, Si;
Ex. Duralumínio: (94%Al, Cu, Mg e Mn)
ALUMÍNIO
metal estrutural em aviões, navios, automóveis e trocadores de
calor;
na construção civil (portas, janelas, divisórias);
embalagens para bebidas, tubos para creme dental, papel alumínio;
fabricação de utensílios de cozinha;
fabricação de cabos elétricos;
Al(OH)3 é muito usado como antiácido, Al2(SO4)3 é usado no
tratamento de água potável.
2Al(s) + 3/2O2(g) Al2O3(s)
Reação Termita
Cr2O3(s) + 2Al(s) 2Cr(s) + Al2O3(s)
GRUPO 14
GRUPO 14
C
Si
Ge
Sn
Pb
diamante
grafite
CQ133
FSN
Silicatos
quartzo
SiO2 Willemita
Zn2SiO4
Enstatita
MgSiO3
Espodumênio
LiAl(SiO3)2
Zircon
ZrSiO4
Mica
(Si2O52-)n
Asbestos
(Si4O116-)n
1200-3000 OC
SiO2(l) + Ccoque(s) → Si(l) + CO2(g) (idem p/ Ge e Sn) 98% puro
Purificação para a produção de semicondutores e transistores:
Si(s) + 3HCl(g) → SiHCl3(g) + H2(g) (T = 300 OC)
SiHCl3(g) + H2(g) → Si(s) + 3HCl(g) (T = 1000 oC)
99,999 % puro (processo Siemens)
2PbS(s) + 3O2(g) → 2PbO(s) + 2SO2(g) (ustulação)
PbO(s) + CO(g) → Pb(l) + CO2(g)
Galena
PbS
Cassiterita
SnO2
CARBONO E ALOTROPIA
grafite
diamante
Buckminster fullereno esférico, C60 Fullereno tubular carbono amorfo
grafeno
CARBONO E ALOTROPIA
Negro de fumo: combustão incompleta de hidrocarbonetos: pó
muito fino que se agrupa aleatoriamente; partículas de 10 a 500 nm;
área superficial de 10-500 m2/g
Usos: carga de borracha para pneus (cerca de 3kg/pneu)
Pigmento negro para tintas e impressoras
Carvão ativado: produto sintético obtido pela desidratação
química de pó de madeira com ácido fosfórico ou ZnCl2 (1-3
partes para cada parte de serragem) entre 400 a 700 oC. Possui
alta área superficial, 300-2000 m2/g
Usos: descoloração de produtos naturais como açúcares, óleos,
bebidas, no tratamento de água, em filtros de gases e
purificadores de ar
Fibras de carbono: obtidas pela degradação na ausência de ar, a
300 oC e 1000 oC, de polímeros que não fundem como celulose,
algodão, lã, acrilonitrila
Usos: confecção de tecidos, redes termorresistentes, reforço
em plásticos, produção de materiais extremamente leves e
resistentes usados produção de aviões, carros e barcos
Monóxido de carbono
1. C(s) + 1/2O2(g) + calor CO(g)
2. C(s) + H2O(g) + calor CO(g) + H2(g) gás d’água
3. 2C(s) + O2(g) + 4N2(g) + calor 2CO(g) + 4N2(g) gasogênio
Principais óxidos do carbono
Produção industrial de ferro
Fe2O3(s) + 3CO(g) 2Fe(s) + 3CO2(g)
Dióxido de carbono
1. CO(g) + H2O + calor CO2(g) + H2(g)
2. CH4(g) + 2H2O + calor CO2(g) + 4H2(g)
3. Recuperado de processos fermentativos:
C6H12O6(s) 2C2H5OH(l) + 2CO2(g)
4. dos gases liberados na calcinação do calcário;
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
5. dos gases efluentes de usinas termelétricas alimentadas a carvão.
6. CaCO3(s) + 2HCl(aq) CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O(l)
Principais óxidos do carbono
APLICAÇÕES
APLICAÇÕES
APLICAÇÕES
o nitrogênio é obtido em escala industrial liquefazendo-se o ar e então
realizando a destilação fracionada; (outros gases industriais são
obtidos desta maneira como O2, Ne, Ar, Kr e Xe);
o nitrogênio na forma de nitratos (NH4NO3, NaNO3) e NH3 tem
sido usados como fertilizantes e constituintes de explosivos;
o gás nitrogênio é usado em grandes quantidades como atmosfera
inerte;
o nitrogênio líquido é usado como agente refrigerante;
Nitrogênio e Fósforo
fósforo é obtido pela redução de Ca3(PO4)2 com coque, num
forno elétrico a 1400-1500 oC, na presença de SiO2:
2Ca3(PO4)2(s) + 10C(s) + 6SiO2(s) 6CaSiO3(s) + P4(s) + 10CO(g)
85% do P4 é empregado na síntese de ácido fosfórico, H3PO4; 10% na
fabricação de P4S10 usado na fabricação de organofosforados e P4S3
usado na fabricação de fósforos de segurança:
P4 (s) + 5O2(g) P4O10(s) + 6H2O(l) 4H3PO4(l)
P4(s) + 10S(s) P4S10(s)
P4(s) + 3S(s) P4S3(s)
Nitrogênio e Fósforo
Nitrogênio é um gás inerte, com uma ligação tripla NN com
comprimento 1,09 Å e energia de dissociação de 945 kJ.mol-1;
o fósforo branco é mole, bastante reativo e encontrado na forma de
moléculas tetraédricas P4;
250 oC
fósforo branco fósforo vermelho;
fósforo vermelho é um sólido polimérico muito menos reativo que o
fósforo branco;
(alta pressão)
fósforo branco fósforo preto
o fósforo preto é uma forma altamente polimerizada e mais
estável termodinamicamente;
Nitrogênio e Fósforo
COMPOSTOS IMPORTANTES
Amônia é um gás tóxico e bastante solúvel em água;
Usada como fertilizante; na produção de HNO3, N2H4 e uréia;
Amônia é uma base fraca:
NH3(g) + H2O(l) NH4+
(aq) + OH-(aq) K = 1,8x10-5
Preparação na indústria pelo Processo Haber-Bosch:
Fe/200 atm, 450 oC
3H2(g) + N2(g) 2NH3(g) + calor
Nitrogênio e Fósforo
COMPOSTOS IMPORTANTES
Ácido nítrico, HNO3 é o oxoácido mais importante do nitrogênio;
É um ácido forte: HNO3(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + NO3
-(aq)
Obtenção através do Processo Ostwald: oxidação catalítica da
amônia a NO, seguida da oxidação do NO a NO2:
Pt/Rh/5 atm, 850 oC
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
NO(g) + ½O2(g) NO2(g)
3NO2(g) + H2O(g) 2HNO3(aq) + NO(g)
NH3(g) + 2O2(g) HNO3(aq) + H2O(g) (reação global)
Nitrogênio e Fósforo
oxigênio constitui 89% em peso das águas dos oceanos;
enxofre é o 16o elemento mais abundante e constitui 0,034% em peso
da crosta terrestre;
a maior parte do oxigênio é produzida pela fotossíntese:
6CO2(g) + 6H2O(g) + energia solar C6H12O6(g) + 6O2(g)
oxigênio também ocorre nos óxidos de metais e em oxo-sais como
CO32-, SO4
2-, NO3- e BO3
3-;
enxofre ocorre principalmente na forma de SO42-, S2-, mas também
ocorre na forma não combinada;
Oxigênio e Enxofre
OBTENÇÃO E APLICAÇÕES
o oxigênio é obtido industrialmente pela destilação fracionada do ar
líquido;
maior parte do oxigênio é usada na fabricação do aço;
oxigênio é usado também para a obtenção de TiO2 a partir de TiCl4. O
TiO2 é usado como pigmento branco em tintas e papéis;
oxigênio é usado para oxidar NH3 no processo de obtenção de HNO3
Oxigênio e Enxofre
OBTENÇÃO E APLICAÇÕES
grandes quantidades do enxofre são obtidas a partir do gás natural e
do petróleo pelo oxidação do gás sulfídrico:
2H2S(g) + O2(g) 2S(s) + 2H2O(l)
enxofre é encontrado em grandes depósitos subterrâneos pelo
processo Frasch, fornecendo S de alta pureza;
Oxigênio e Enxofre
OBTENÇÃO E APLICAÇÕES
90% do enxofre é convertido em SO2(g), depois em SO3(g) e finalmente
em H2SO4
Pt ou V2O5
SO2(g) + O2(g) SO3(g)
SO3(g) + H2SO4 (aq, 98%) H2S2O7(l)
ácido pirossulfúrico ou óleum
H2S2O7(l) + H2O(l) 2H2SO4(l)
Ácido sulfúrico
Aplicações
a) fabricação de fertilizantes;
b) sulfonação de ácidos graxos fab. de detergentes;
c) fabricação de tintas;
d) na limpeza de metais;
e) no refino do petróleo;
f) é o eletrólito das baterias de chumbo;
g) um oxidante relativamente forte ;
h) absorve água com avidez usado como agente dessecante para
gases;
Ácido sulfúrico
OBTENÇÃO E APLICAÇÕES
enxofre reage com alcenos formando ligações cruzadas importantes
para a vulcanização da borracha;
Oxigênio e Enxofre
S
S S
S
S
S S
S
C=C
CH2
H3C H
H2C
C=C
CH2
H3C H
H2C
n
+
C C C
CH3
C C C C C C
S
CH3
H2 H2 H2 H2 H2H H
S
S
CH
C C C
CH3
C C C C C C
S
CH3
H2 H2 H2 H2 H2H HCCH
CH3
n
C C C
CH3
C C C C C C C C
S
S CH3
H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2H H
S
S
F 2 2
2 2
HALOGÊNIOS
CQ133
FSN
Produção de F2(g):
CaF2(s) + H2SO4(aq) → CaSO4(s) + 2HF(g)
eletrólise ígnea
2HF (em KF fundido) → H2(g) + F2(g)
Produção de Cl2(g):
eletrólise de salmoura
2NaCl(aq) + 2H2O(l) → 2NaOH(aq) + Cl2(g) + H2(g)
eletrólise ígnea
2NaCl(l) → 2Na(s) + Cl2(g)
Produção de Br2(l):
pH = 3,5
2Br-(aq) + Cl2(aq) → 2Cl-(aq) + Br2(aq)
Produção de I2(s):
2I-(aq) + Cl2(aq) → 2Cl-(aq) + I2(s)
ou
2IO3-(aq) + 5HSO3
-(aq) → I2(s) + 5SO42-(aq) + 3H+(aq) + H2O(l)
HALOGÊNIOS – USOS
a produção de flúor só se tornou importante com o início da fabricação
de fluoretos inorgânicos como NaF
a indústria nuclear consome 75% do flúor produzido usado no
processamento de urânio;
UO2 + 4HF UF4 + 2H2O
UF4 + F2 UF6
UF4 + ClF3 UF6 + ClF
os fluoroalcenos podem ser polimerizados:
500-1000 oC
2CHClF2 CF2=CF2 + 2HCl
os polímeros podem ser óleos e graxas ou sólidos de alta massa molar
como o politetrafluoreteno (PFTE) ou Teflon é inerte quimicamente e
isolante elétrico, usado como revestimento de utensílios de cozinha;
Flúor
HALOGÊNIOS – USOS
os freons são clorofluorocarbonetos mistos como por ex.: CClF3, CCl2F2 e
CCl3F são fluidos refrigerantes não-tóxicos e propelentes de aerossóis
flúor é usado na fabricação de SF6, um gás inerte, usado como
isolante elétrico em equipamentos de alta tensão;
pequenas quantidades do íon fluoreto, F-, na água potável (cerca de 1
ppm) reduzem as cáries nos dentes conversão da hidroxiapatita,
[3(Ca3(PO4)2)·Ca(OH)2] em fluoroapatita, [3(Ca3(PO4)2)·CaF2] mais dura;
cloro é usado para o branqueamento de polpa de papel, tratamento de
água, produção de HCl, de sais inorgânicos como NaClO e de policloreto de
vinila (PVC):
CH2=CH2 + Cl2 CH2Cl-CH2Cl (cat = FeCl3)
CH2Cl-CH2Cl HCl + CH2=CHCl (T= 500 oC)
Flúor
Cloro
CaF2(s) + H2SO4(aq) → CaSO4(s) + 2HF(g)
HF
USOS
usado na produção de clorofluorocarbonetos (freons)
ou CFC usados como fluidos refrigerantes e
propelentes de aerossóis:
condições anidras / SbCl5
CCl4 + 2HF CCl2F2 + 2HCl
empregado na produção de AlF3 e criolita sintética,
empregados na obtenção de alumínio;
usado no processamento de urânio;
usado como catalisador de reações de alquilação na
indústria petroquímica;
usado no tratamento do aço, para gravar vidro,
fabricar herbicidas;
HALETOS DE HIDROGÊNIO
HCl de alta pureza é obtido pela combinação direta dos
elementos: H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) (na indústria)
grandes quantidades de HCl impuro são obtidas como
subproduto da indústria orgânica pesada. Ex. na conversão de
1,2-dicloroetano, ClCH2-CH2Cl, em cloreto de vinila, CH2=CHCl.
2NH4Cl + H2SO4 2HCl + (NH4)2SO4 (no laboratório)
USOS
limpeza de metais remoção de camadas de óxidos
galvanoplastia
na obtenção de cloretos de metais e de corantes;
neutralização de bases
HCl
HALETOS DE HIDROGÊNIO