A posição do Carbono na Tabela Periódica Estimado aluno, você na 9ª classe teve a oportunidade de estudar a tabela períodica dos elementos químicos. Consultando nela, você irá notar que o IV grupo A é constituído por cinco (5) elementos químicos, nomeadamente: o carbono (C), o silício (Si), o germânio (Ge), o estanho (Sn) e o chumbo (Pb). A pertença destes a este grupo pode ser justificada com base na sua estrutura electrónica, pois, cada um apresenta 4 electrões na última ou camada de valência. Queremos acreditar que você ainda se lembra de como é que se faz a distribuição electrónica por camadas. Niels Bohr foi o cientista que discobriu esse modelo de distribuição dai ser conhecido como modelo de Bohr. Assim, para os átomos de carbono e de silício que possuem os números atómicos 6 e 14, respectivamente, lembre-se Z = p+ = e-, dai com o número atómico ser possível fazer a distribuição de electrões pelas camadas baseando-se na regra de que cada camada pode ser ocupada por 2n2 electrões. Estrutura electrónica de:
Carbono
Silício
Como pode notar, os dois apresentam 4 electrões na última camada (electrões da última camada indicam o grupo e a valência), facto que justifica a pertença ao grupo IV e o apresentarem a valência IV. Com certeza se fizer a distribuição electrónica dos outros irá encontrar a mesma realidade.
Características gerais dos elementos do grupo IVA Como já fizemos referência os átomos dos elementos do IV A apresentam quatro electrões na camada de valência, que é a valência máxima em relação ao oxigénio e ao hidrogénio. • Todos são sólidos em condições normais de temperatura e pressão (CNTP). • O carbono é ametálico, isto é, não é metal; o silício é semi-metálico e os restantes elementos são metálicos. • O chumbo é o elemento mais denso. • O carbono na forma de diamante apresenta os pontos de fusão e de ebulição mais elevados do grupo. • Todos e reagem com oxigénio formando respectivos óxidos. Por exemplo, o carbono forma (CO; CO2); o Silício (SiO2); o Germânio (GeO); o Estanho (SnO) e o Chumbo (PbO). E sobre os óxidos que aparecem em forma de exemplos sugerimos que escreva as equações químicas que permitem a sua formação. Como é de seu conhecimento uma equação química é correcta quando os coeficientes estiverem certos. Acerte os respectivos coeficientes.
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O Carbono De todos os elementos que constituem o grupo IV do sistema periódico, o carbono é o mais importante e, ocupa um lugar de destaque no grupo. Ao longo do seu estudo irá entender a razão desse destaque. Prezado aluno, onde podemos encontrar o carbono na Natureza? O carbono ocorre na natureza de duas formas fundamentais: sob forma de compostos, isto é, na forma combinada e na forma livre. Na forma combinada encontra-se na composição de proteínas, plásticos, combustíveis, borrachas, etc, e na forma livre, ocorre sob forma cristalina (entanto que diamante e grafite) ou amorfa (sem forma), por exemplo, carvões. O diamante e a grafite constituem as principais variedades alotrópicas do carbono. Variedades alotrópicas ou alótropos são duas ou mais substâncias elementares diferentes, com estruturas diferentes, propriedades físicas e químicas diferentes, sendo elas formadas por átomos de um mesmo elemento químico. Agora, preste atenção às estruturas de diamante e grafite a seguir apresentadas de forma comparativa.
Estrutura de diamante Se você observou com atenção, viu no diamante, cada átomo de carbono encontra-se ligado a quatro (4) átomos de carbono formando 4 ligações covalentes. Os átomos de carbono encontram-se em posições fixas, bem definidas e formando cantos de uma pirâmide cujas faces são triângulos equiláteros. Esta pirâmide regular toma nome de estrutura tetraédrica. Nesta estrutura o quinto (5) átomo de carbono encontra-se no centro do tetraedro. A distância entre os átomos de carbono é muito pequena, facto que cria a sua compactação (sobreposição).
Estrutura da grafite Aqui, também você deve ter notado que os átomos de carbonos encontram-se ordenados em forma de hexágonos regulares dispostos em camadas. Cada átomo de carbono está ligado a outros três (3) carbonos vizinhos, através de 3 ligações covalentes. E a quarta ligação estabelece a união entre camadas devido a existência de electrão livre, o que confere a estrutura da grafite propriedades diferentes das do diamante. As forças de ligação dentro da camada são fortes comparadas com as forças entre as camadas. E a distância interatómica (entre os átomos) na mesma camadas é menor que a distância entre as camadas.
Caro aluno, em química existe uma relação directa entre a estrutura das substâncias com as propriedades e aplicações das mesmas. Assim, a estruturação diferente apresentada tem como consequência a diferença nas propriedades e aplicações do diamante e da grafite. A tabela a seguir mostra a diferença de propriedades e aplicações dos alótropos do carbono.
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Substânci a
Propriedades físicas (cor, dureza, brilho)
Nº de lectrões que intervêm nas ligações
Estrutura (formato)
Condutibi- lidade eléctrica e calor
Aplicações
Diaman te
Incolor, dura, transparente e brilhante
4
Tetraédrica
Mau condutor
Produção de objectos cortantes e de adorno; como isolador eléctrico
Grafite
Opaca, cinzento- escura, brilho metálico, escorregadia ao tacto, mole e quebradiço.
3 O 4º electrão é livre
Em camadas
Bom Condutor
Produção de lápis de carvão, eléctrodos e feixes tubulares de permutadores de calor, lubrificante
De acordo com a tabela, você deve ter notado que as aplicações do diamanete e da grafite têm a ver com as propriedades e estruturas das mesmas substâncias. Continuando com o seu estudo, agora vamos tratar dos carvões. Este assunto não é estranho pois utilizamos os carvões no nosso dia-a-dia: cozinhar alimentos, aquecer água, assar carne ou peixe, etc. Mas vamos tratar este assunto com mais detalhes, começando por definição, tipos de carvões, ocorrência e sua obtenção.
Carvões Caro aluno, existem dois tipos de carvões: o carvão artificial e o carvão natural. Carvões artificiais – são carvões obtidos por destilação seca, calcinação ou combustão incompleta de certas substâncias ricas em carbono. Exemplos: • Carvão de Madeira – obtém-se através de dois processos: - Combustão incompleta da madeira, que para o efeito se dispõe em medas cobertas com uma camada de terra (areia) na qual se faz orifícios (madeira + oxigénio = monóxido de carbono ou Carbono + água). - Destilação seca da madeira sem acesso do ar. Este processo é muito importante do ponto de vista económico, pois permite o aproveitamento dos produtos voláteis (ácido acético, álcool metílico, acetona, etc).
• Carvão Animal – obtém-se através da calcinação dos ossos sem gorduras, sangue e outras substâncias orgânicas, em que resulta um resíduo de carvão misturado com sais fosfatos.
• Negro-de Fumo- resulta da combustão incompleta de certas substâncias orgânicas voláteis, ricas em carbono, como a resina, o alcatrão da hulha, hidrocarbonetos, óleos. Como você deve ter notado, o mecanismo de combustão incompleta da madeira para obtenção do carvão vegetal, é um processo do seu conhecimento tendo em conta que muitas árvores na província onde você vive têm sido abatidas para aquisição de combustível lenhoso.
Carvões Naturais ou Minerais - são pedras sedimentares formadas ao longo de milhares de anos a partir de substâncias orgânicas tais como, troncos de árvores e madeiras na ausência de ar e sob altas pressões e calor.
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A turfa, a lenhite, a hulha e a antracite são variedades de carvão mineral. A quantidade de calor do carvão depende da percentagem do carbono. Os carvões minerais têm largas aplicações e ocorrem em diferentes partes do mundo, veja a tabela a seguir relativa à ocorrência e aplicações de carvões:
Substân cia
Ocorrência Origem Tipos Aplicações Mundo Moçambique
Carvão mineral
América do Norte, Europa e Ásia
Moatize- Tete (Hulha)
Sedimentar Turfa, Hulha, Lenhite, Antracite
Sínteses orgânicas, fonte de energia (combustíveis), fertilizantes, asfalto, detergente, medicina, redutor (indústria metalúrgica)
Acreditamos que você, depois de ter observado a tabela ficou sabendo que o carvão mineral não existe em todos os lugares do planeta Terra e que tem largas aplicações na vida do Homem. Alguns conceitos como por exemplo, sedimentar sugerimos a você à consultar o docente de Geografia para consolidar os seus conhecimentos. Os carvões activados ou que sofreram tratamento especial (eliminação de hidrocarbonetos e alcatrão nos seus capilares), de modo aumentar bastante o seu poder adsorvente, aplicam-se para adsorção dos vapores de líquidos voláteis a partir do ar e das misturas gasosas, nas máscaras antigás, e como catalisadores. Você sabia que devido à sua estrutura porosa, o carvão de madeira possui uma alta capacidade adsortiva? Adsorção é a propriedade que o carvão e outras substâncias sólidas têm de reter na sua superfície as partículas gasosas ou líquidas. Estimado aluno, quanto mais poroso for o carvão, maior é a quantidade de gás ou solução líquida adsorvida.
Tarefas 1. Assinale com X as alternativas correctas As características gerais dos elementos do grupo IV A, nomeadamente, Carbono (C), Silício (Si), Germânio (Ge), Estanho (Sn) e Chumbo (Pb) são: a) todos eles apresentam 4 electrões de valência; b) a valência máxima em relação ao oxigénio e ao hidrogénio é IV; c) em CNTP são metais d) reagem com oxigénio formando óxido e com hidrogénio formando compostos hidrogenados;
2. Assinale com “V” ou “F” conforme sejam afirmações verdadeiras ou falsas: a) Variedades alotrópicas são formas diferentes em que um elemento pode existir na Natureza em compostos ou livre. b) O Diamante é uma substância dura, não conduz a corrente eléctrica, incolor, transparente e brilhante. c) A grafite conduz a corrente eléctrica devido a existência de electrões livre. d) A grafite é dura, quebradiça e não conduz a corrente eléctrica.
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3. Assinale com “V” ou “F” conforme sejam as afirmações verdadeiras ou falsas: a) O Carvão mineral é uma pedra sedimentar, combustível, formado ao longo de milhões de anos na ausência de ar e sob altas pressões e calor. b) O carvão mineral que existe em Moçambique é a Hulha, na província de Tete, distrito de Moatize. c) O carvão de madeira obtém-se pelo dois processos nomeadamente, combustão incompleta e destilação seca. d) Devido à sua estrutura porosa, o carvão de madeira possui uma alta capacidade adsortiva.
Soluções Todas as alternativas da questão 1 estão certas menos c) pois nem todas são metais . E na questão 2 as alternativas a), b) e c) são verdadeiras; e a alternativa d) é falsa pois a grafite não é dura. E a questão 3 todas as alternativas estão certas e nenhuma errada. Caro aluno, se não acertou nas respostas, isto não é problema, volta a reler a matéria e depois prossiga com o estudo das propriedades químicas do carbono.
Propriedades químicas do Carbono • Reacção com o oxigénio O carbono reage com o Oxigénio (reacção de combustão) formando o dióxido de carbono (num meio com excesso de oxigénio) ou monóxido de carbono (quando há défice de oxigénio). C + O2 → CO2; combustão completa. (reacção exotérmica) 2C + O2 → 2CO; combustão incompleta. (reacção exotérmica) O produto da última reacção é designado de gás de ar.
• Reacção de redução O carbono é um bom agente redutor, capta o oxigénio dos minérios, aumentando seu nox. C + 2ZnO → CO2 + 2Zn; (reacção endotérmica) C + H2O → CO + H2; (reacção endotérmica) O produto desta última reacção é chamado de gás de água. Uma mistura gasosa de gás de ar e de água forma o gás misto, constituído por CO2, CO, N2 e H2. este é usado como fonte de energia e para síntese de vários produtos, como: fertilizantes, plásticos, fibras sintéticas e medicamentos.
• Reacção com ácidos Com o ácido nítrico, por exemplo, a quente forma dióxido de carbono, dióxido de nitrogénio e água.
3 2 2 2 4 4 2 C HNO CO NO H O + → + +
• Reacção com o enxofre O carbono também reage directamente com o enxofre e outros elementos. Exemplos: a) 2S + C → CS2 (sulfureto de carbono – dissolvente) b) S + C → SiC (Carboneto de silício – uma substância dura próxima de diamante e obtém-se a altas temperaturas). c) C + 2H2 → CH4 (Metano é um dos principais componentes do gás natural)
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Como viu, caro aluno, o carbono reage com muitas substâncias originando compostos variadíssimos com alto valor económico, veja a seguir, os óxidos de carbono.
Óxidos de carbono a) Monóxido de carbono Propriedades físicas de monóxido O monóxido de carbono é um gás incolor, inodoro, menos denso que o ar, pouco solúvel em água e muito venenoso. A toxicidade deste deriva do facto de ter maior capacidade de combinação com a hemoglobina do sangue, impedindo a captação de oxigénio necessário à respiração. Pelo que uma permanência prolongada em ambiente com monóxido de carbono pode ser fatal. Preste atenção! Não é aconselhável respirar longamente o monóxido de carbono. Infelizmente por ser incolor e inodoro podemos estar esposto onde ele exista sem nos apercebermos logo à partida. Arde (combustível) com uma chama azul e usa-se no processo do alto-forno como redutor.
Obtenção laboratorial de monóxido de carbono Obtém-se no laboratório pela reacção do anidrido carbónico (CO2) e carbono. CO2 + C → 2CO
b) Dióxido de carbono: Propriedades físicas O dióxido de carbono é um gás incolor, inodoro, incomburete, mais denso que o ar, não arde é venenoso.
Obtenção e identificação do dióxido de carbono • No laboratório pode-se obter o dióxido de carbono pela reacção do carbonato de cálcio com o ácido clorídrico formando também cloreto de cálcio e água:
3 2 2 2 2 CaCO HCl CaCl CO H O + → + + • Na indústria é obtido pela decomposição térmica do calcário (carbonato de cálcio)
3 2
t CaCO CaO CO → +
Identificação de CO2 O dióxido de carbono pode-se identificar pela sua acção na água de cal apagada (hidróxido de cálcio) que fica turva, originado um precipitado (deposita-se no fundo de recipiente). Também pode se usar o hidróxido de bário, que dá lugar à formação de um precipitado branco, o carbonato de bário (BaCO3↓).
2( ) 2 3( ) 2 ( ) ( )g s l CO Ca OH CaCO H O + → ↓ + Composto insolúvel
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Propriedades químicas do CO2 • Reacção com a água O dióxido de carbono dissolve-se em água, contudo apenas uma pequena porção se transforma em ácido carbónico, H2CO3. A dissolução do dióxido de carbono em água depende da pressão e da temperatura.
2 2 2 3 CO H O H CO + • Reacção com óxidos de metais O dióxido de carbono reage com óxidos metálicos formando sais, os carbonatos. CO2 + Na2O → Na2CO3 CO2 + CaO → CaCO3 • Reacção com bases Tal como com os óxidos, obtém-se os carbonatos e liberta-se a água. CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2 O
Aplicações do dióxido de carbono O dióxido de carbono é usado no fabrico de bebidas gaseificadas em especial refrigerantes, champanhes, cervejas, etc. É muito usado em extintores de incêndios pois, por ser incomburente, permite a extinção de chamas. Se você reparar com atenção nos rótulos dos extintores irá observar que em alguns está indicado que contêm o dióxido de carbono como o agente extintor. Não obstante estas aplicações que nos são vantajosas, o dióxido de carbono (CO2 ) representa um grande perigo para o Homem, sobretudo quando a sua concentração no ambiente for maior. Hoje em dia fala-se tanto do fenómeno de estufa, mas o que é isso? Leia com muita atenção o que se segue. Acreditamos que depois da leitura você ficará mais sensibilizado e passará a ser amigo do ambiente e não deixará que alguém destrua a nossa casa “terra”.
O dióxido de carbono e problemas ambientais Caro aluno, queremos acreditar que você já tenha ouvido falar de uma estufa de jardim. Esta conserva as plantas em ambientes mais quentes do que estaria no exterior, porque o vidro conserva alguma radiação solar que entra na estufa. A atmosfera, de modo semelhante, conserva a Terra quente, pois retém parte da radiação solar que, de outro modo, seria reenviada para o espaço. No entanto, a libertação de dióxido de carbono para a atmosfera aumenta esta capacidade de retenção das radiações solares aumentando o nível de aquecimento da terra-efeito de estufa. Certamente que você tem sentido que o verão nestes últimos anos tem sido mais vigoroso. Por outro lado, o dióxido de carbono liberto para atmosfera pode combinar-se com o vapor de água formando o ácido carbónico que, depois cai sob forma de chamadas chuvas ácidas, juntamente com outros ácidos derivados de outros óxidos. Portanto, o efeito de estufa é um problema que preocupa aos cientistas e a atodos nós pois, está em causa o futuro da Natureza. Porque se fala do efeito estufa como problema? O dióxido de carbono em excesso pode tornar-se um problema. O CO2 é um dos gases da atmosfera que melhor absorve a radiação solar, contribuindo para o aquecimento da Terra. Embora não seja o único “gás de estufa”, é aquele que causa mais preocupação devido à grande
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quantidade existente. Juntos, nas diversas actividades humanas, lançamos para atmosfera, por ano, cerca de 5 mil milhões de toneladas de CO2 . A Terra pode aquecer demais – aquecimento global.
Alguns cientistas têm previsto que, dentro dos próximos 30 anos, a quantidade de CO2 na atmosfera duplique! A temperatura média da Terra aumentará cerca de 3 ºC. Isto pode parecer pouco, mas originará grandes mudanças climáticas. Algumas teriam efeitos bons: em zonas com água, os cereais cresceriam mais. Outras serão muito prejudiciais: o nível de água do mar subirá, pois alguns gelos polares fundirão e isso poderá inundar e fazer desaparecer regiões baixas, como a Holanda e algumas zonas costeiras.
Poder-se-á reduzir este efeito de estufa diminuindo apreciavelmente o uso de combustíveis fósseis, o que implica a procura de alternativas (motores a hidrogénio ou eléctricos). Por último, deveria haver um esforço global para impedir a desflorestação maciça que está ocorrer na selva amazónica e nas florestas tropicais do sudoeste asiático. A vegetação tem um papel vital na manutenção de uma concentração estacionária de dióxido de carbono na atmosfera. Converter florestas em terrenos de cultivo e pastos para o gado pode causar danos irreparáveis ao dedicado ecossistema terrestre e alterar para sempre o padrão climático da Terra.
Isto terá de ser feito rapidamente; mesmo assim, o aquecimento global não parará imediatamente pois há muito dióxido de carbono acumulado na atmosfera durante os anos em que temos usado a queima daqueles combustíveis em grande quantidade.
Estimado aluno, depois da leitura do texto sobre o efeito de estufa acreditamos que ficou mais sensibilizado que nunca pois, este é um assunto de grande preocupação para o Homem se quiser continuar a viver na Terra. Juntos, vamos preservar o ambiente porque é nossa casa, fora da Terra não há vida.
Continuando com o estudo de compostos de carbono, vamos agora tratar de propriedades físicas e químicas de ácido carbónico.
Ácido carbónico: Propriedades físicas e químicas O ácido carbónico (H2CO3) existe somente em solução aquosa. É muito fraco, instável e decompõe-se facilmente em dióxido de carbono e água.
2 3 2 2 H CO CO H O + O ácido carbónico é dibásico formando dois (2) tipos de sais: neutros e ácidos. Os sais neutros têm o nome de carbonatos, por exemplo, CaCO3 e os ácidos de hidrogeno carbonatos, por exemplo, Ca(HCO3)2. Dos sais neutros apenas os dos metais alcalinos e os de amônio são solúveis na água.
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O ácido carbónico dissocia-se em duas etapas.
+ - 2 3 3 - + 2- 3 3
+ 2- 2 3 3
Etapa 1. H CO H + HCO Etapa 2. HCO H + CO _____________________ . H CO 2H + CO D Total Acreditamos, que você não teve dificuldades em entender as propriedades do ácido, função inorgânica que foi objecto de estudo nas classes anteriores. Prossiga com seu estudo lendo a ocorrência e aplicações de carbonatos. Os carbonatos, também foram objecto de estudo nas classes anteriores, pois, são sais do ácido carbónico.
Carbonatos Ocorrência e aplicações Os carbonatos mais comuns em Moçambique são o mármore e o calcário. O mármore existe no distrito de Montepuz, na província de Cabo Delgado, enquanto que o calcário abunda em Muanza – Sofala; Nacala – Nampula; e Salamanga – Maputo Província. Os carbonatos fazem parte do solo e são importantes na agricultura como fertilizantes. Você, sabia que os carbonatos desempenham um papel relevante na economia? Ora vejamos, o carbonato de sódio (Na2CO3) e o carbonato de potássio (K2CO3) usam-se no fabrico de vidro e seus derivados, detergentes; O carbonato de cálcio emprega-se também na produção do vidro, cimento, cal-viva ou queimada (óxido de cálcio - CaO) e fertilizantes. Também os carbonatos (mármore) são aplicados em escultura, “campas e casas para o embelezamento”. Caro aluno, você não pode estudar a matéria sem exercitar. Agora, vamos juntos resolver as questões propostas.
Tarefas 1. Assinale com “V” ou “F” conforme sejam afirmações verdadeiras ou falsas: a) O gás misto é constituído por CO2 , CO, N2 e H2 . b) O Dióxido de Carbono (CO2 ) apresenta ligações covalentes e rede iónica. c) A reacção de obtenção de dioxido de carbono no laboratório é CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2 O d) O CO2 usa-se em motores como combustível, extintores de incêndio e na indústria de refrigerantes e bebidas gaseificadas, por exemplo, cervejas.
2. Assinale com X a alternativa correcta. a) O CO2 é um dos gases da atmosfera que melhor absorvem radiação solar, contribuindo para o aquecimento da Terra. b) Pode-se reduzir o efeito de estufa aumentando o uso de combustíveis fósseis. c) A vegetação não tem um papel vital na manutenção de uma concentração estacionária de dióxido de carbono na atmosfera. d) A destruição das florestas para exploração da madeira, agricultura, pastagem de gado, caça não causa danos irreparáveis ao ecossistema terrestre.
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3. Os carbonatos são sais do ácido carbónico. Assinale com X a alternativa correcta. a) Os carbonatos mais comuns em Moçambique são o mármore, argila e o calcário.
b) O mármore existe no distrito de Montepuz, na província de Cabo Delgado, enquanto que o calcário abunda em Muanza – Sofala; Nacala – Nampula; e Salamanga – Maputo Província.
c) Os carbonatos não fazem parte do solo e nem são importantes na agricultura como fertilizantes.
d) Os carbonatos usam-se no fabrico de vidro, cerâmica, cal- viva, esculturas, etc.
Soluções Aqui, caro aluno, você saiu-se bem ao responder que as alternativas a) e c) da questão 1 são verdadeiras e b) e c) são falsas. Na questão 2 tendo assinalado alternativa correcta a) e na questão 3 alínea b).
Como você é inteligente e não teve nenhumas dificuldades ao estudar o carbono e seus compostos, agora você vai estudar o silício e seus compostos.
Silício Estado natural e propriedades físicas O silício existe na natureza fundamentalmente na forma combinada, sob forma de silicatos e de dióxido de silício (sílica) devido à sua grande reactividade com o oxigénio. Existe praticamente em todas as rochas, argilas, terras, etc. É o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre. O silício é um elemento com brilho metálico e é um semi-condutor (conduz corrente eléctrica). A condutibilidade eléctrica do silício aumenta com o aumento da temperatura.
Obtenção O silício é obtido a partir da redução da sílica pelo coque.
2 2 2 t SiO C Si CO + → +
Propriedades químicas A temperatura ambiente o silício é inerte. À temperatura elevada reage com halogéneos, oxigénio, nitrogénio e bases fortes:
Si + 2Cl2 → SiCl4 (cloreto de silício) Si + O2 → SiO2 (dióxido de silício) 3Si + 2N2 → Si3N4 (nitreto de silício) Si + NaOH → Na2SiO3 (silicato de sódio) + H2 Si + 2H2 → SiH4 (gás hidreto de silício ou silano)
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Aplicações O Silício é aplicado como semi-condutor na Tecnologia sobretudo no fabrico de baterias solares usadas nos satélites artificiais, cósmicos e nas naves espaciais. Na metalurgia como redutor e na formação de ligas metálicas.
O dióxido de silício - Sílica O dióxido de silício é o composto mais estável de silício. É um sólido de natureza cristalina, de estrutura semelhante à do diamante A figura abaixo representa a estrutura do dióxido de silício, uma estrutura tetraédrica.
Estrutura tetraédrica do SiO2
O dióxido de silício é usado no fabrico de cimento, vidro, artigos de cerâmica, de aparelhos de gravação e reprodução de som, na construção de obras.
Silicatos Ocorrência Os silicatos são abundantes na Natureza. A crosta terrestre é composta, principalmente, por sílica e silicatos. Os silicatos ocorrem em argila, o feldspato, o talco e a areia. Os silicatos fazem parte das diferentes rochas: granito, gnaisse, basalto e xistos. Muitas pedras valiosas, por exemplo esmeralda, topázio, água-marinha, representam cristais formados de silicatos.
Aqui, você não precisa saber com detalhes os tipos de rochas mas é importante conhecer a importância dos compostos de silício e os nomes das rochas e das pedras preciosas uma vez que existem em Moçambique.
Importância Os compostos de silício desempenham um papel importante na economia de um país. Os granitos, empregam-se a título dos materiais de construção. Os silicatos servem de matéria-prima na produção de vidro, cerâmica e cimento. São usados no adoçamento da água (asluninossilicatos), na produção de papel, borracha, tintas.
Produção de cimento Caro aluno, você sabia que o cimento é uma substância hidráulica aglutinante que pode permanecer sólida durante muito tempo, tanto na água como no ar?. Em Moçambique existem fábricas de cimento. Então, como é produzido o cimento?
As principais matérias-primas para a produção do cimento são: calcário, argila e gesso.
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Para a produção de cimento aquece-se gradualmente, a mistura de calcário, gesso e argila, até temperaturas de 1450 ºC de modo a expelirem os gases provenientes da termólise (quebra das ligações dos átomos por acção do calor) da matéria-prima e permitir que os óxidos formados possam reagir entre si. Para consolidar a matéria, você poderá falar com o seu docente de disciplina se vive em Nacala, Dondo ou Matola para fazer uma visita de estudo à fábrica de cimento. E temos a certeza que você vai ficar muito encantado!…
É do seu conhecimento que o cimento usa-se na construção de estradas, pontes, edifícios, etc. Na construção usa-se o cimento misturado com outras substâncias adicionais. O material de construção que se obtém pela mistura de cimento, água e substâncias adicionais, como: a areia e o cascalho dá-se o nome de betão.
A diferença entre o betão e a argamassa reside no diâmetro das substâncias adicionais. Quando as substâncias adicionais forem finas tem-se a argamassa. O cimento “portland” é produzido em Moçambique nas fábricas de Maputo, Dondo e Nacala. Vamos em seguida referirmo-nos às bases fundamentais sobre o vidro e sua produção.
Produção de vidro O vidro é uma mistura de silicatos, dióxido de silício e vários óxidos metálicos como Na2O, CaO, MgO, Al2O3 e outras substâncias. O vidro tem uma estrutura amorfa (sem forma) e não tem fórmula química.
A composição e propriedades do vidro dependem do campo de aplicação do mesmo. Para a produção do vidro misturam-se a areia, calcário e carbonato de sódio. Esta mistura da matéria-prima é aquecida a temperaturas de 1400 ºC até fundir. A seguir a mistura é arrefecida até cerca de 1000 ºC e finalmente moldada.
Em Moçambique o vidro é produzido na companhia Vidreira de Moçambique, localizada na Machava, na província de Maputo. Neste momento não está a funcionar.
Você poderá mencionar as áreas de aplicação do vidro? Acreditamos que sim. Então, faça um pequeno resumo no seu caderno mencionado as aplicações de vidro e depois mostra o seu docente de disciplina.
Caro aluno, cerâmica é matéria do seu domínio, pois nós acreditamos que você teve oportunidade de assistir a produção de utensílios caseiros feitos de barro, por exemplo, panelas, potes, etc, desde a sua moldura até queima.
Produção de cerâmica Então, sabe que a cerâmica é relativa a materiais e artigos, fabricados a partir das substâncias refractárias, por exemplo, de argila, carbonetos e óxidos de alguns metais. Em função da sua aplicação, na cerâmica produz-se artigos:
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- para construção (o tijolo, telha, tubos, chapas de revestimento); - de revestimento interno de fornos de fundição de aço e do vidro, usando materiais refractários; - quimicamente resistentes e estáveis à acção dos meios corrosivo quer em CNTP ou temperaturas elevadas; - de faiança e de porcelana; que a técnica aplica na produção de isoladores, condensadores, velas de ignição, cadinhos de altas temperatura, tubos térmicos.
O processo de fabricação dos artigos cerâmicos consiste em preparar a massa cerâmica, moldar, secar e cozer. Essas operações realizam-se de modo diferente, em função da natureza dos materiais iniciais e das exigências apresentadas ao produto. Por exemplo, na fabricação do tijolo, a matéria-prima (argila + outros minerais) é triturada, misturada e humedecida. A massa plástica obtida é formada, secada e depois submetida ao cozimento à temperatura de 900 ºC. Durante o cozimento ocorre a aglomeração, condicionada pelas reacções químicas fase sólida. A aglomeração realiza-se segundo um regime rigorosamente determinado e conduz à obtenção do material que possui propriedades prescritas.
Alguns artigos cerâmicos são cobertos por esmalte, uma camada fina de material vítreo. O esmalte torna o artigo cerâmico brilhante e impermeável à água, protege-o contra poluições e acção de ácidos e bases. Para consolidar os seus conhecimentos vamos resolver alguns exercícios que lhe propomos.
Tarefas 1. Assinale com “V” ou “F” conforme sejam as afirmações verdadeiras ou falsas: a) O silício na natureza em forma ocorre de silicatos e dióxido de Silício ou sílica. b) O silício é um elemento com brilho metálico e é um semi-condutor. c) A condutibilidade eléctrica do silício aumenta com o aumento da temperatura. d) O silício não conduz a corrente eléctrica
2. Compare a estrutura do Dióxido de Silício com a de CO2. Assinale com X as alternativas correctas. a) Dioxido de silício (SiO2 ) é tetraédrica. b) Dióxido de carbono é linear (O ═ C ═ O). c) A rede de SiO2 é cristalina. d) Dióxido de carbono apresenta rede iónica.
3. Assinale com “V” ou “F” conforme sejam afirmações verdadeiras ou falsas: a) Os silicatos são usados na produção de utensílios de porcelana, tijolos, vasos, cimento e vidro. b) Matéria prima usada para a obtenção de vidro: Areia, Calcário e Carbonato de sódio. c) O Vidro é aplicado na construção (janelas, portas, blocos...), fabricação de instrumentos ópticos (lupas, binóculos, microscópio, telescópio, máquinas fotográficas e de filmar, lentes de vista), etc.
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Soluções Na questão 1, todas as alternativas são verdadeiras somente a d) é falsa porque o silício conduz a corrente eléctrica. Questão 2 somente a d) é falsa pois a o dióxido de carbono apresente rede molecular e não iónica. E na última questão, todas as alternativas são correctas. Mas se não acertou nas respostas dos exercícios propostos, volta a resolvê-los sem pressa porque a pressa é o inimigo da imperfeição. Portanto, tendo chegado ao fim do estudo de Carbono e Silício, vamos rever juntos a estequiometria, matéria que envolve cálculos de massa e volume dos reagentes e produtos nas reacções químicas. É assunto do seu domínio.
Cálculos estequiométricos Cálculos de massa e volume dos reagentes e produtos nas reacções químicas
1. Determine a massa de dióxido de carbono que se obtém quando se utilizam 5,6 l de gás metano (CH4) nas CNTP, conforme a equação. CH4(g) + O2(g) → CO2(g) + H2O(g) (H=1g, C=12g e O=16g)
Resolução: 1º. Acerto da equação: CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) 2º. Apresentação das proporções: 22,4 l de CH4 --------------44 g de CO2 5,6 l ----------------------- X Pela leitura da equação é de notar que quando reage 1 mol de metano forma-se 1 mol de dióxido de carbono. Tratando-se de CNTP, 1 mol de metano ocupa o volume de 22,4 l. Lembre-se que na 9ª classe, você aprendeu a Lei do Avogadro que diz “volumes iguais de quaisquer substâncias gasosas, nas mesmas condicões de pressão e temperatura, contém sempre o mesmo número de moléculas iqual a 6,03 x 1023 que ocupa o volume de 22,4 litros” Determinando a massa molar de CO2, M(CO2) = 12 + 2 x 16 obtém-se 44 g. Assim: 22,4 l de CH4 -------------- 44 g de CO2 5,6 l ----------------------- X
Xg
l gl x X 11 ,422 445,6 = ⇒= Resposta: Quando se utiliza 5,6 l do metano em CNTP obtém-se 11 g de CO2
2. Uma amostra de calcário contém 15% de impureza. Calcule as massas de dióxido de carbono e de óxido de cálcio produzidas na decomposição térmica de 10 g de calcário.
Resolução:
→= →= deimpurezaggimpurezasxde calcariopurogdexgdeCaCO
Calcariog
1,5100,1515% 8,5100,8585% 10 3
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2
)2(())3(
4,404,75
100 448,5
100 568,5
44
8,5 56100
8,5 100 8,5
:
()5644100
gCOCaOygdex g xgg y g xgg x y g g g x g g g xyg CaOCOequaçãoCaCOSegundoa gpurosgg sgs == == == →+ Resposta: São produzidos 4, 75 de CaO e 4,40g de CO2
3. Uma tonelada de calcário contendo 8 % de sílica e óxido férrico, sendo o restante CaCO3, quanto resíduo produz por calcinação? (Ca = 40; C = 12; O = 16) Resolução:
Calcário CaCO3 Sílica + óxido férrico
100 kg 92 kg 8 Kg
1000 Kg x Y
X = 920 Kg de CaCO3 Y = 80 Kg de sílica + óxido férrico
3 2 56
100 920 100 56 920 56
515,2
920 100
Kg
Kg z Kg CaCO CaO CO x z x Kg de CaO z → + = ⇒ = ⇔ = Logo, o resíduo será de : 515,2 Kg de CaO + 80 Kg de sílica + óxido férrico = 595,2 Kg. Se você observou com atenção, no fim da resolução de cada problema há sempre um comentário. Não se esqueça!
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