Por que é que precisamos conhecer este assunto?

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Elaborado por: António Adelino Quilala “Molécula” – molecula1@live.com.pt Página 1

Capítulo III. Estudo do subgrupo II- A da tabela periodica Os metais alcalinos terrosos

Por que é que precisamos conhecer este assunto?

Um dos elementos deste grupo é o berílio, possui muitas propriedades notáveis.

As placas finas de berílio deixam passar os raios X e servem do material singular para fabricar janelinhas dos tubos dos raios X, atraves das quais os raios saem para fora. As ligas, ás quais este metal é adicionado como aditivo ligante, são aplicados na fabricação de molas e instrumentos cirúgicos. Devido as propriedades valiosas do berílio a sua produção cresce rapidamente.

O magnésio e o cálcio são os elementos aseguir neste grupo, alguns dos seus compostos servem como materia prima para o fabrico de cimento, ligas, vidros etc.

A origem das propriedades dos materiais é proveniente, naturalmente, das distribuições e das propriedades dos átomos que formam esses materiais. Assim, o entendimento completo das propriedades electrónicas e estruturais dos átomos que formam um material é primordial para a previsão das propriedades e do comportamento dos mesmos e o desenvolvimento de novos materiais com aplicações tecnológicas e industriais.

Estes são alguns dos motivos que nos leva a estudar este grupo

O que precisamos conhecer previamente?

 Estrutura dos átomo de Be, Mg, Ca, Sr, Ba e do Rádio.

 Disposição dos metais na série electroquímica.

 Relação com a água, ácidos,oxigénio e oxidantes.

 Óxidos e hidróxidos, sua obtenção e característica química.

 Os mais importantes sais solúveis e insolúveis.

 Sais de magnésio e cálcio em águas naturais. Dureza da água e processos para eliminação da dureza.

 Métodos de obtenção dos metais desses metais.

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III.1 – Propriedades gerais.

III.1.1 – Propriedades físicas.

Os elementos que fazem parte do subgrupo principal do grupo II são; berílio, magnésio, cálcio, estrôncio, bário e rádio. Todos esses elementos, excepto o berilio, possuem as propriedades metálicas evidentes. No estado livre, eles se apresentam subforma de substâncias brancas.

Os átomos destes elementos são grandes, mais menores do que os conrrespondentes átomos dos elementos do grupo I, pois a carga adicional existente no núcleo atrai mais os electrões. Analogamente, seu iões são grandes, mas tambem menores que os dos conrrespondentes elementos do grupo I, pois a remoção de 2 electrões externos aumenta mais a carga nuclear efectiva. Os elementos do grupo II apresentam dois electrões de valência que podem participar de ligações metálicas, e em consequencia esses elementos são mais duros que os do grupo I, apresentam maior força coesiva, e ponto de fusão mais elevados (os pontos de fusão não variam de modo regular, porque os metais ocorrem principalmente com diferentes estruturas cristalina).

As suas propriedades mais importante estão apresentadas na tabela 1:(N.Glika pag 284)

III.1.2 – Suas abundâcias.

O berílio nos é pouco familiar, em parte por ser muito pouco abundante, e em parte poe ser de difil obtenção. É encontrado em pequenas quantidades como minerais do grupo dos silicatos; a fenacita Be2SiO4 e o berilo Be3Al2 (SiO3)6 .

Magnésio e o cálcio são abundantes e se incluem entre os 8 elementos mais comuns na crosta terrestre. Sais de magnésio ocorrem em certa proporção na água do mar, e em depósitos minerais de magnesita MgCO3, dolomita MgCa(CO3)2 e é encontrado em grande abundância como calcário, rocha comum em muitas regiões montanhosas.

O estrôncio e o bário são muito menos abundantes, mas relactivamente bem conhecidos, porque ocorrem mais ou menos concentrados em mineiros e são de fácil obtênção. O rádio é extremamente raro, sendo um elemento importante não pelo seus aspectos químicos mas devido á sua radiactividade que apresenta.

III.1.2 – Propriedades químicas.

Nos seus compostos, o Be, Mg, Ca, Sr,Ba, Ra têm uma valência positiva igual a 2, devido ao facto de terem na camada electrónica exterior dos seus átomos dois electrões, que perdem facilmente por accão de agentes oxidantes. O processo desenvolve-se de acordo com o esquema:

M → M²⁺ + 2e⁻

Os raios atómicos aumentam do Be para o Ra. No mesmo sentido aumenta a sua actividade redutora.

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Elaborado por: António Adelino Quilala “Molécula” – molecula1@live.com.pt Página 3 Concequências prática desta observação!

O bário e o estrôncio conservam-se em petróleo, ou, tal como o rádio, em tubos de vidro soldados, enquanto que outros metais desta série, por serem redutores menos fortes, se podem guardar simplesmente em frascos fechados.

Ao aquecer estes metais ao ar ou em oxigénio, ardem com chama brilhante, formando os respectivos óxidos de acordo com o esquema:

M + 1/2 O₂ 2e^-

MO²⁺

Os seus peróxidos, caso eles se formem em geral, são menos estaveis de que os peróxidos dos metais alcalinos.

Na série electroquímica, todos estes metais estão situados acima do hidrogénio e, por conseguinte, oxidam-se facilmente com a água, a frio (Ca-Ra), ou a quente (Be e Mg) este dois ultimos reagem lentamente. Visto que os hidroxidos formados são poucos soluveis na água: cobrindo a superficie do metal, eles dificultam a transcorrência posterior da reacção. Os 4 metais restantes, devido, devido a solubilidade melhor de seus hidroxidos, reagem com água mais energéticamente.

M + 2HOH 2e^-

M(OH)²⁺ ₂

+ H₂ +

explicação desta observação em termos de energia riticular e de energia de hidratação!

Para que uma substâcia se dissolva, a energia de hidratação deve ser maior que a energia reticular. Do Be ao Ba, os iões matalicos aumentão de tamanho e tanto a energia reticular como a energia de hidratação diminuem. Diminuição da energia reticular favorece um aumento da solubilidade, ao passo que a diminuição da energia de hidratação favorece uma diminuição da solubilidade. Se a energia de hidratação diminuir mais rapidamente do que a energia reticular, os compostos se tornarão menos soluveis. Isto ocorre com a maioria dos cosmpostos, mas os fluoretos e hidroxidos apresentam aumento da solubilidade do Be ao Ba, porque a energia reticular decresce mais rapidamente do que a energia de hidratação.

Ja deves estares a se perguntar: mais o que é energia reticular em palavras mais simples né?! Rsrrsrsrrs!

É muito simples, confira voce mesmo!

Se um ião de sódio no estado gasoso (Na⁺(g)) se combinar com um ião de cloro tambem no estado gasoso (Cl^-(g)) havera formação do cloreto de sódio (NaCl) e ao mesmo tempo libertação de energia (porque o sistema aquece):

Na⁺(g) + Cl^-(g) → NaCl(cristal) ∆U = - 782 kj/mol

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Elaborado por: António Adelino Quilala “Molécula” – molecula1@live.com.pt Página 4 A esta energia libertada devido a combinação desses dois iões no estado gasso damos o nome de energia reticular! Ou seja;

É a energia desprendida quando se forma uma mol de um cristal a partir dos iões gasosos.

Ja sei! E a energia de hidratação né?! kkkkkk

Pois bem, Suponha que você coloque sal de cozinha em um copo com água. Que acontece?

Como você sabe, o sal se dissolve!

De acordo com Arrhenius, determinadas substâncias, quando dissolvidas em água, são capazes de se dissociar (separar) dando origem os seus iões.

E energia necessaria para se conseguir essa separação, é que chamamos de energia de solvatação. Na verdade os iões separam-se porque são solvatados.

Se possivel por uma estrutura cristalina de um sal sendo hidratado(ver na net)

A oxidação desenvolve-se ainda melhor em soluções de ácidos, como por exemplo:

M + 2HCl 2e^-

MCl²⁺ ₂

+ H₂ +

M + 2H⁺ H₂ + M²⁺

III.1.2 –Oxidos. Caracter básico.

A medida que aumenta o tamanho dos átomos, decresce a energia de ionização, e os elementos tornam-se mais básicos. Assim o oxido de berilio é insoluvel em água;

BeO + H2O → insoluvel

O oxido de magnésio reage com água, formando o hidroxido de magnésio, fracamente básico;

MgO + H2O → Mg(OH)2 + H2

O oxido de cálcio reaege energeticamente com água, sendo o hidroxido de calcio uma base moderadamente forte;

CaO + H2O → Ca(OH)2 + H2

Já os hidroxidos de estrônciob e bário são bases bem mais fortes.

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III.1.2. Obtênção dos óxidos e peróxidos. Estabilidade termica dos sais.

Obtênção dos óxidos

Os óxidos são geralmente preparados pela decomposição termica dos carbonatos, hidróxidos, ou sulfatos. Se considerarmos M o metal, o esquema que traduz esta

decomposição será dado por;

MCO3 → MO + CO2

M(OH)2 → MO + H2O MSO₄ → MO + SO₃

Estabilidade térmica dos sais

Como acabamos de ver, os carbonatos e os sulfatos se decompõem por aquecimento, formando os óxidos, quanto mais básico for o metal, mais estável sera o seu sal. A temperatura em que ocorre a decomposição ilustram este facto

BeSO4 (580 ºC) ; MgSO4 (895 ºC); CaSO4 ( 1149ºC); SrSO4 (1374 ºC).

Obtênção dos peróxidos

O peróxido de bário BaO2 é formado passando uma corrente de ar sobre BaOa 500 ºC.

O peróxido de estrôncio pode ser obtido em temperaturas e pressões elevadas. O peroxido de cálcio não pode ser obtido desta maneira, mas pode ser preparado na forma de hidrato tratando hidróxido de cálcio com peroxido de hidrogenio, e desidratando o produto. O peróxido de magnésio bruto foi tambem obtido com emprego de peróxido de hidrogénio.

Mas não se conhece peroxido de berilio. Os peróxidos são sólidos brancos e ionicos. Por tratamento com ácido, forma-se peróxido de hidrógenio.

III.2 – Obtenção dos metais.

Os metais deste grupo não são obtidos facilmente por redução química, pois são redutores fortes e alem disso formam carbetos com o carbono. São fortemente electropositivos, assim não é possivel usar soluções aquosas para deslocar um metal de seus compostos por acção de outros, ou para efectuar electrólise, pois os metais reagirão com a água.

Todos esses metais podem ser obtidos por electrolise de cloretos fundidos, com adição de cloreto de sódio para para diminuir o ponto de fusão, mas o Sr e Ba tendem a formar uma suspensão cloidal.

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III.2 – diferença entre o berilio e os demais elementos do grupo II.

O berilio difere do grupo, em parte por ser extremamente pequeno, e em parte por causa da electronegatividade relactivamente alta. Esta diferença reflete-se tambem nas propriedades de seus compostos.

Assim, o Be(OH)2 é a única base no subgrupo que possui propriedades anfoterica;

Be(OH)2 + 2NaOH → Na2[Be(OH)4]

Os sais de berilio são ácidos quando dissolvidos em água pura (devido o processo de hidrólise). Isto explica-se pelo faco da ligação Be – O ser forte, o que enfraquece as ligações O – H, havendo assim uma tendência de perder protões (H⁺).

(H₂O)₃Be²⁺ O H

H

(H₂O)₃Be²⁺ O H

+ H⁺

Ao formar compostos do tipo BeX2, por exemplo BeCl2, os átomos de berilio passam ao estado excitados:

2s 2p

Be

excitando

Be^*

2s 2p

Aqui, á custa do desemparelhamento dos electrões formam-seas duas ligações covalentes e ocorre a hibridação sp. Deste modo as moleculas BeX2 têm a estrutura linear.

O número total dos electrões de valencia nas moléculas semelhante á do BeCl2 é insuficiente para prencher completamente a camada exterior do átomo de berilio (de acordo com regra de octeto). Portanto tais, moléculas têm o nome de moléculas déficie dos electrões. Assim, na molécula de BeCl2,

Cl Be Cl

Orbital vazio

Na canada exterior do átomo de berilio encontram-se apenas os 4 electrões. Por isso, o átomo de berilio é capaz de ser aceitador dos pares electrónicos e formar duas ligações covalentes mas pelo mecanismo dativo. Ao mesmo tempo, cada átomo de cloro que faz parte da molécula BeCl2, possui os pares electrónicos não-partilhados e pode actuar a título do dador deles. Portanto, ao arrefecermos o cloreto de berilio gasoso, entre as moléculas surgem as ligações covalentes novas conforme o esquema:

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Cl Be Cl

Cl Be ... Cl

...

Em suma, ao condesar o cloreto de berilio formam-se as cadeias polimeriricas, onde os átomos de cloro desempenham o papel das pontes que ligam os átomos de berilio.

III.3 – Dureza da água.

A água natural que contem muitos sais de cálcio e magnésio dissolvidos diz-se dura. A água branda contem relativamente poucos sais dissolvidos. a dureza da água expressa-se pelo número de equivalentes-miligramas de iões Ca²⁺ ou Mg²⁺ por litro de água. A água cuja dureza é inferior a 4 equiv-mg/Iitro é considerada branda; de 4 a 8, média; de 8 a 12, dura, e superior a 12 equiv-mg/Iitro, muito dura.

1 equiv-mg de Ca²⁺ corresponde a 20,04 mg; 1 equiv-mg de Mg²⁺ , a 12,16 mg.

A presença de Ca(HCO3)2 e Mg(HCO3)2 na água natural dá origem à dureza devido a carbonatos (dureza temporal). Ao ferver a água, que possui a dureza devida a carbonatos, durante um tempo prolongado, nela aparece um precipitado composto principalmente por CaCO3, libertando-se simultaneamente o CO2. Ambas estas substâncias formam-se devido à decomposição do hidrocarbonato de cálcio:

Ca(HCO3)2 → CaCO3 + H2O + CO2

Por essa razão, a dureza devida a carbonatos diz-se dureza temporal. A dureza temporal valoriza-se pelo teor de hidrocarhonatos removidos da água na sua fervura durante uma hora.

Os cloretos e sulfatos de cálcio e magnésio provocam a dureza permanente da água (também chamada "dureza não devida a carbonatos"). Que são caracterizadas por permanecerem após uma hora de fervura.

As durezas temporária e permanente constituem a dureza total da água. Esta é fácil de determinar se se conhece quantos miligramas de Ca²⁺ e Mg²⁺ existem por litro de água:

Pesquisa de turma:

1º) faça uma pesquisa sobre a importância dos elementos que fazem parte deste grupo bem como os cuidadados que se deve ter ao manuseiar os compostos formados por estes elementos.

2º) Cor dos seus átomos quando são submetidos a teste de chamas.

3º) Utilização do Mg na formação de compostos organometálicos. Reagente de Grignard

litros mg equiv Mg

mg Ca

total mg

dureza /

16 , 12

) ( 04

, 20

)

( ² ²





 ^ ^

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Razão para se derterminar a dureza da água!

A presença na água duma quantidade essencial dos sais de cálcio ou magnésio faz a água inútil para muitos fins tecnológicos. Assim, durante a alimentação prolongada das caldeiras de vapor com a água dura, as suas 'paredes cobrem-se gradualmente pela casca densa do depósito. Tal casca, já à densidade de 1 mm, baixa significativamente a transmissão do calor pelas paredes da caldeira e, portanto, conduz ao aumento' do consumo do combustível. Além disso, ela pode causar inchações e fendas tanto nos tubos como nas paredes da caldeira própia.

A água dura não dá espuma com o sabão, visto que os sais solúveis de sódio dos ácidos gordos (palmítico e esteárico), presentes no sabão, passam aos sais insolúveis de cálcio dos mesmos ácidos:

2C17H35COONa + CaSO4 → (C¹⁷H35COO)2Ca ↓ + Na²SO4 estearato de sódio estearato de cálcio

1 – Reconhecer os elementos que fazem parte do grupo II, bem como suas configurações electrónicas.

2 – As propriedades gerais destes elemetos, tais como; propriedades físicas, suas abundâncias etc.

3 – Propriedades químicas, reacção com O2, H2O, ácidos e bases.

4 – Seus óxidos bem como a variação das suas propriedades básicas ao longo do grupo.

5 – Obtenão dos seus óxidos e peróxidos.

6 – Estabilidade termica dos seus sais.

7 – Métodos de obtêçao desses metais

8 – Diferença do berilio e os demais elementos deste grupo.

9 – Dureza da água

CONHECIMENTO QUE VOCÊ DEVE DOMINAR

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Ponto de situação

Aprende-se a resolver problemas resolvendo problemas

1 – Apresente os elementos que fazem parte do subgrupo II A da tabela periodisca e suas configurações electrónica. Por que os elementos do grupo II são menores que os elementos conrrespondentes do grupo I?

2 – Por que que os metais do grupo II são mais duros que os do grupo I? E por que apresentão pontos de fusão mais elevados?

3 – Por que os sais de berilio raramente contêm mais de quatro moleculas de água de cristalização?

4 – Apresente a reacção destes metais com a água.

5 – Como e por que razão se alteram as propriedades básicas dos hidróxidos dos metais do subgrupo principal do grupo II na série Be(OH)₂ – Ba(OH)2 ?

6 – Os quatro métodos gerais para obtênção dos metais são: decomposição termica, deslocamento de um elemento por acção do outro, redução química e redução electrolitica. Qual é o método de obtenção dos metais do grupo II? Por que que os demais métodos são inadequados?

7 – Em que estado de hibridização se encontra o átomo de berilio na molécula de BeCl2? E qual é a geometria da molécula?

8 – Por que o BeCl2 é ácido quando dissolvido em água? Qual é a estrutura do BeCl2 no estado gasoso e no estado sólido? Justifique.

9 – Escreva as fórmulas do tetrahidroxoberilato de potassio e do tetrafluoroberilato de sódio. Como se podem obter estas substâncias?

10 – Dado os compostos; SrSO4, MgSO₄, CaSO₄, BeSO₄. Ponha-os em ordem crescente de estabilidade termica. Apresente as respectivas equações químicas que traduzem esta decomposição.

11 – Aplique a teoria da TOM para justificar a existência ou não da molecula Be2. 12 – Justifique por meio de reacções o caracter anfoterico do berilio.

13 – Explique a dissociação electrolítica do composto ionico Ca(NO3)₂. 14 – Conclua as equações das reacções:

a) Ba(OH)₂ + H₂O₂ → ? BaO2 + 2H₂O

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b) Be + NaOH → ?

c) BaO2 + H2SO4 → ? BaSO4 + H2O2

d) Ca + H₂O → ? e) Mg + HCl → ? f) Be(OH)₂ + HCl → ? g) Be(OH)2 + KOH → ? h) CaCO₃ + calor → ? i) Ca(HCO₃)₂ + calor → ?

j) Mg + HNO3(diludo) → ? NH4NO3 + ...

k) BaO2 + FeSO4 + H2SO4 → ? l) Ca(ClO)₂ + HCl → ? Cl2 + ...

15 – Por meio de que reacções químicas se podem levar a cabo os seguintes processos?

a) BaSO₄→ BaS→ BaCO3→ BaCl2

b) Ca(NO₃)₂→ CaO → Ca3(PO₄)₂

16 – Calcular a constante de equilibrio e determine d sentido da seguinte reacção em solução aquosa nas condições normais;

BaCO₃ + H₂SO₄ ↔ BaSO4 + H₂O + CO₂

Dados: K_ps(BaSO₄) = 1,1x10^-10, K_ps(BaCO₃) = 5x10^-9 ,K₁(H₂CO₃) = 4,5x10^-7 e K₂(H₂CO₃) = 4,7x10^-11

Resposta: a) 2,1x10¹⁸ b) 3,2x10³ c) 5x10^-9 d) 8,7x10¹² e) nada disso

17 - Quais sais determinam com sua presença a dureza da água? Como se classifica a dureza da água?

18 – Em 1 litro de água existem 38 mg de iões Mg²⁺ e 108 mg de iões Ca²⁺. Calcular a dureza total da água.

Resposta: a) 5,77 b) 3,20 c) 8,52 d) 60,80 e) nada disso

19 – Durante a ebuliçãode 250 ml de água contendo hidrogenocarbonato de cálcio formaram-se 3,5 mg de precipitado. Apresente a reacção ocorrida e calcule a dureza desta água.

Resposta: a) 9,22 b) 6,90 c) 0,44 d) 0,28 e) nada disso

20 – Que quantidade de carbonato de sódio será necessario adicionar a 5 litros de água para que seja retirada uma dureza total da ordem dos 4,60 meq/l?

Resposta: a) 2,33 b) 7,12 c) 1,22 d) 5,60 e) nada disso